溫室大棚數(shù)據(jù)通信與監(jiān)控技術(shù)研究范文

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摘要：為了調(diào)節(jié)適合蔬菜、水果生長的溫室大棚溫度、濕度以及二氧化碳含量等環(huán)境參數(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于電力線通信的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。將每個(gè)溫室大棚設(shè)為分節(jié)點(diǎn)，通過STM32芯片采集各個(gè)物理量參數(shù)后，再通過FSK調(diào)制信號使用供電線路上傳送給總節(jié)點(diǎn)后，232串口通信傳輸?shù)絇C機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對溫室大棚的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)硬件由電力載波模塊、STM32、MX232、DHT11溫濕度傳感器等組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行可靠。

關(guān)鍵詞：電力載波；溫室大棚；FSK；串口通信

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，溫室大棚面積占世界第一，但對溫室環(huán)境因子調(diào)控的不完善，限制了溫室高效化優(yōu)勢的發(fā)揮，造成溫室栽培的智能化程度非常低[1-2]。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化程度，我們需要研發(fā)出成本低、易操作、便于維護(hù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內(nèi)的環(huán)境有利于蔬菜、水果生長，以達(dá)到低投入、高產(chǎn)出、高回報(bào)的效果[3]。本次研究項(xiàng)目主要是采用了一種網(wǎng)格化自動(dòng)監(jiān)測的方案，在蔬菜大棚中裝置一定量、多個(gè)電力載波調(diào)制解調(diào)及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊，通過各種特定的傳感器對大棚中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測，并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端，通過系統(tǒng)自動(dòng)比對PC端采集數(shù)據(jù)和設(shè)定值，可以判斷蔬菜大棚中的環(huán)境狀態(tài)。單片機(jī)控制繼電器、通風(fēng)電機(jī)、開簾、閉簾電機(jī)等裝置運(yùn)行，自動(dòng)完成大棚中環(huán)境參數(shù)的閉環(huán)控制。

1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電力載波部分由多個(gè)ARM控制的KQ-330電力載波調(diào)制解調(diào)模塊組成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇傉{(diào)制解調(diào)模塊，最終經(jīng)過串口回到上位PC端，以此實(shí)現(xiàn)了PC端與蔬菜大棚中的各分節(jié)點(diǎn)監(jiān)控平臺通信與數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊的主控制板采用STM32單片機(jī)作為處理器，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制其它各個(gè)端口。節(jié)點(diǎn)采集模塊由兩大部分組成：①與ARM連接的各種傳感器，負(fù)責(zé)采集土壤狀況、溫濕度、光照強(qiáng)度、雨量大小以及二氧化碳濃度。②與ARM連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)：加熱繼電器、通風(fēng)、開簾電動(dòng)機(jī)、閉簾電動(dòng)機(jī)等。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1FSK電力載波通訊模塊

低壓電力線載波通信是指利用已有的低壓配電網(wǎng)作為傳輸媒介，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞和交換的一種通信技術(shù)[4-5]。它最大的優(yōu)點(diǎn)是可以利用已建成的低壓配電網(wǎng)，而不必建設(shè)新的通信網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋范圍廣和連接方便等特點(diǎn)[6-8]。該系統(tǒng)通過電力載波通訊模塊以低壓電線作為信號（數(shù)據(jù)）傳輸?shù)拿浇椋⒉捎肍SK調(diào)制方式。

2.1.1電力線通信技術(shù)

此系統(tǒng)的電力通信模塊調(diào)制采用FSK（Frequency-shiftkeying）頻移鍵控調(diào)制方式，它是利用基帶數(shù)字信號離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率來傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。2FSK通信技術(shù)的工作原理是通過載波頻率來傳送數(shù)字消息的，即用所傳送的數(shù)字消息對載波頻率進(jìn)行控制。數(shù)字調(diào)頻原理上也可通過模擬調(diào)頻法實(shí)現(xiàn)，它有兩種調(diào)制方法：1）利用矩形脈沖序列對一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，它是FSK早期采用的方法。2）在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列控制下，通過開關(guān)電路對兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。鍵控法的特點(diǎn)是抗干擾和抗衰落的性能強(qiáng)且易于實(shí)現(xiàn)，所以應(yīng)用廣泛。

2.2溫濕度傳感器

DHT11是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11傳感器包含一個(gè)電阻式測濕元件和一個(gè)NTC測溫元件[13-14]，與高性能8位單片機(jī)相連接。由于DHT11體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、控制簡單、性價(jià)比高，所以該系統(tǒng)選擇DHT11進(jìn)行溫濕度采集。

2.3MX232

該系統(tǒng)中單片機(jī)與上位PC機(jī)需要進(jìn)行串口通信，但是單片機(jī)采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，而PC機(jī)采用RS－232標(biāo)準(zhǔn)的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，因此要實(shí)現(xiàn)電平匹配，需要在兩者之間接一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片[15]。美信公司MAX232芯片就是專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5V單電源供電。

2.4ARM

載波通訊控制的核心器件采用STM32F103ZE，它是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3的32位微處理器，最高工作頻率72MHz，片內(nèi)Flash容量512kByte，片內(nèi)SRAM容量64kByte；具有高性能、低功耗、豐富的片內(nèi)資源等特點(diǎn)。STM32提供了睡眠、待機(jī)、停機(jī)3種低功耗省電模式和靈活的時(shí)鐘控制模式，用戶可合理優(yōu)化系統(tǒng)[16]。

3軟件的設(shè)計(jì)

3.1串行異步通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

總節(jié)點(diǎn)通過串口上傳PC機(jī)的數(shù)據(jù)協(xié)議采用232，波特率：115200，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1位，校驗(yàn)位：0位。每一幀數(shù)據(jù)總長度25個(gè)字節(jié)。

3.2串口通信軟件設(shè)計(jì)

總節(jié)點(diǎn)的串口通信流程是當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先進(jìn)行初始化，然后判斷PC機(jī)是否下發(fā)控制指令，若是則下發(fā)到對應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)，若否或已下發(fā)完控制指令則發(fā)送第n個(gè)子節(jié)點(diǎn)請求數(shù)據(jù)指令，判斷地址是否匹配，如果否，則回到上一級判斷指令，如果是總節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，之后判斷是否接收到子節(jié)點(diǎn)串口數(shù)據(jù)，如果否，則繼續(xù)返回判斷，如果是，則接收子節(jié)點(diǎn)串口數(shù)據(jù)，并判斷接收是否結(jié)束，如果否，則返回判斷是否接收到子節(jié)點(diǎn)串口數(shù)據(jù)，如果是，則給PC機(jī)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，子節(jié)點(diǎn)編號加1，回到程序的大循環(huán)起點(diǎn)，判斷是否有PC機(jī)下發(fā)的控制指令，如圖4（a）所示。子節(jié)點(diǎn)的串口通信流程是當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先進(jìn)行初始化，然后一直進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，判斷是否有控制指令，如果是，則控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作，然后判斷是否收到主節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)請求；如果否，直接判斷是否收到主節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)請求，如果是，則上傳該子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果否，則返回程序起點(diǎn)，如圖4（b）所示。

3.3DHT11溫濕度采集

DHT11與CPU之間的通信采用單總線數(shù)據(jù)格式。空閑時(shí)總線為高電平，需要讀取DHT11測量數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)（MCU）拉低18ms等待DH11響應(yīng)，延時(shí)等待20~40μs，DHT11發(fā)送80μs左右的低電平響應(yīng)信號，待主機(jī)讀取DH11響應(yīng)信號后，DHT11再拉高總線80μs左右，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳送，每次通信都是高位先出的順序傳輸40位數(shù)據(jù)（包括16bit濕度數(shù)據(jù)+16bit溫度數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和），等數(shù)據(jù)傳送完畢，DHT11拉低總線50μs，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)[17]。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)載波模塊發(fā)送“1”時(shí)產(chǎn)生122.8kHz左右頻率方波，發(fā)送“0”時(shí)產(chǎn)生131.6kHz左右頻率方波。

5結(jié)論

文中研究并實(shí)現(xiàn)了蔬菜大棚的溫濕度數(shù)據(jù)的采集和傳送，硬件由控制器、傳感器、電力載波通訊模塊、繼電器等構(gòu)成，通訊調(diào)制方式采用FSK。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過載波模塊可以可靠地傳輸，并進(jìn)行過程控制。下一步需要對電力線通信的距離進(jìn)行研究，進(jìn)一步完善該系統(tǒng)，應(yīng)用在蔬菜大棚的實(shí)時(shí)監(jiān)控中。

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作者：晏涌；裴夢瑤；劉學(xué)君；魯瑩；袁碧賢 單位：北京石油化工學(xué)院