溫室花房控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

隨著人們的生活水平的日益提高，對花卉欣賞以及花卉使用的需求越來越大，人們想方設(shè)法突破溫度的限制，以實(shí)現(xiàn)在各種地區(qū)氣候都能培育種類繁多的花卉來，花卉溫室控制發(fā)展越來越多，但需要的人力、物力是非常巨大的，并且收益并不怎么明顯。鑒此，我們設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)技術(shù)的花房控制系統(tǒng)，讓花房發(fā)揮更大功效。即使在規(guī)模較小，設(shè)備不齊全的花房里也可發(fā)揮大部分作用，也為部分條件不好的花農(nóng)提供福音。

一、花房溫室系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目為基于單片機(jī)技術(shù)的花房控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)在主控芯片控制的各個(gè)傳感器和裝置的基礎(chǔ)上，滿足多方位數(shù)據(jù)的采集，智能自動(dòng)調(diào)控的基本目的，同時(shí)添加GSM遠(yuǎn)程通信，在自動(dòng)基礎(chǔ)上可以遠(yuǎn)程對任何環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，滿足花農(nóng)對不同花類在不同生長期對環(huán)境的特定需求的。在如此的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)多功能，全天候?qū)ǚ康沫h(huán)境因素的調(diào)控，也保證擁有實(shí)時(shí)抽樣檢測的特點(diǎn)。由于裝置簡單，特點(diǎn)明確，可以根據(jù)花房的形狀與大小進(jìn)行全系統(tǒng)裝置的合理縮放，保證各個(gè)規(guī)模的花農(nóng)都可以在相對經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上用到方便的智能化裝置。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

利用STC15系列單片機(jī)建立主控平臺(tái)，結(jié)合花房參數(shù)采集的各類傳感器和GSM（SIM300）通信模塊。傳感器實(shí)時(shí)采集花房內(nèi)各類環(huán)境信息（溫度，濕度，二氧化碳濃度，光照強(qiáng)度，氧氣濃度等）傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)原設(shè)定參數(shù)范圍進(jìn)行比較，將范圍之外的參數(shù)進(jìn)行分析，得出需要調(diào)控的程度并控制效應(yīng)器進(jìn)行適度的調(diào)控使得該目標(biāo)參數(shù)回歸至合適的范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)支持用戶通過手機(jī)主動(dòng)指令，即可在花農(nóng)遠(yuǎn)離花房的前提下進(jìn)行對花房當(dāng)下數(shù)據(jù)的采集，并且可以遠(yuǎn)程重設(shè)數(shù)據(jù)范圍，以滿足各類花卉在不同生長期對環(huán)境的而特殊需求。

二、單片機(jī)與GSM模塊的通信描述

單片機(jī)與GSM模塊的通信采用232通信接口，軟件的關(guān)鍵是做好單片機(jī)對手機(jī)AT指令的操作。GSM模塊采用SIM300，SIM300帶有標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口通過MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后與單片機(jī)進(jìn)行接口。設(shè)置SIM300模塊的工作模式為PDU模式。使用文本模式收發(fā)短信代碼簡單，實(shí)現(xiàn)起來容易，但最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。PDU相當(dāng)于一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含源、目的地址，有效時(shí)間，數(shù)據(jù)格式，協(xié)議類型和正文。

三、花房溫室控制系統(tǒng)方案優(yōu)勢

比較人工的控制來說，花房智能控制最大的好處就是能夠相對恒定的控制花房內(nèi)部的環(huán)境，對于環(huán)境要求比較高的植物來說，更能避免因?yàn)槿藶橐蛩囟斐缮a(chǎn)損失相對生產(chǎn)來說，將智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用到花卉生產(chǎn)以后，花卉的培育比人工控制的花房都有極大的提高，對于不同的花卉品種而言，保證品相和成活率，對于檔次較高的珍貴品種來說，生產(chǎn)效率可以大大提高?；ǚ繎?yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)，可達(dá)到改善花卉品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，尤其是可實(shí)現(xiàn)溫室管理的高效和精準(zhǔn)。對于規(guī)?；拇笈镌O(shè)施而言，如果借助人工來調(diào)控溫大棚內(nèi)的環(huán)境條件，需要大量人手和時(shí)間，而且存在難以避免的人工誤差。如果應(yīng)用GSM自動(dòng)控制技術(shù)，用戶只需通過手機(jī)向GSM發(fā)送短息，單片機(jī)接收并識別指令信息，進(jìn)行應(yīng)對操作。在最短的時(shí)間里代替人工操作，完成對花房的智能調(diào)控。極大地避免過度依賴網(wǎng)絡(luò)而使得本分地區(qū)過于偏遠(yuǎn)和規(guī)模較小的花房無法進(jìn)行智能控制裝置的安裝的缺點(diǎn)。

溫度在日常生活中扮演著極其重要的角色。如冷藏庫溫度監(jiān)測、藥廠監(jiān)測系統(tǒng)、電信機(jī)房監(jiān)控、樓宇自控、倉庫溫度監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、過程溫度監(jiān)測、中央空調(diào)監(jiān)測、農(nóng)業(yè)溫度大棚等許多領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景。這里的關(guān)鍵技術(shù)涉及到信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。DS18B20是一種可組網(wǎng)的高精度數(shù)字溫度傳感器，由于其具有單總線的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于構(gòu)建高精度、多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化溫度測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各測量點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)采集、顯示、超限報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、歷史查詢、曲線繪制等功能。因此，研究采用數(shù)字溫度傳感器(DS18B20)如何組建并基于嵌入式操作系統(tǒng)的多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

四、基于ARM的花房溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)是一種采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?C/OS-П、高速ARM微控制器、數(shù)字溫度傳感器，LCD顯示、Flash存儲(chǔ)等5個(gè)單元組成。通過RS232/RS48串口通信實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦头植际礁咚俣帱c(diǎn)花房溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的核心部件是ARM微處理器向溫度傳感器發(fā)送控制信號，溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)并傳送給ARM處理器，處理器將采集到的數(shù)據(jù)通過LCD實(shí)時(shí)顯示并定時(shí)將溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Flash中，通過UART串口將保存的溫度數(shù)據(jù)由（RS232/485）有線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的建立，將這些數(shù)據(jù)長期存儲(chǔ)起來，以備查看歷史數(shù)據(jù)庫以數(shù)值和繪制動(dòng)態(tài)曲線的方式顯示，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)打印，用作后期分析與研究，或者提醒用戶進(jìn)行相應(yīng)的操作。

五、溫室花房系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)建與器件選擇

（1）控制平臺(tái)：若用ARM9作為溫度測控系統(tǒng)的控制平臺(tái)則不僅速度快、性能高、功耗低、芯片集成度高，而且外圍接口豐富，還可移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),簡化了LCD顯示、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信等的設(shè)計(jì)開發(fā)。系統(tǒng)采用Embest公司的ARM 9實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā)板Embest EDUKIT-П/Ш。

（2）系統(tǒng)總線的選擇：嚴(yán)格的通信協(xié)議可以保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。組建多點(diǎn)溫度監(jiān)測到上位機(jī)/下位機(jī)通信系統(tǒng)，考慮到成本、傳輸距離、傳輸速率、傳輸?shù)姆较?，以及在總線上允許連接的收發(fā)器的個(gè)數(shù)，比如RS232只允許連接1個(gè)收發(fā)器；RS-422總線協(xié)議采用單向傳輸方式；RS-485總線協(xié)議增加了多點(diǎn)，具有雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接在同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性。因此選擇成本相對較低，通信距離相對較遠(yuǎn)的RS-485協(xié)議進(jìn)行下位機(jī)和上位機(jī)的通信。

（3）數(shù)據(jù)采集單元選擇：溫度傳感器(DS18B20)的"一線總線(1-wire-bus)"特性可以方便地使每個(gè)模塊都有一個(gè)獨(dú)立地址，其優(yōu)越性為（1）僅使用ARM一條端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，可以方便地實(shí)現(xiàn)智能單元擴(kuò)展,組成多點(diǎn)多種傳感器信號采集系統(tǒng)；（2）現(xiàn)場溫度直接以"一線總線"的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，（3）新型現(xiàn)場總線所配備的相應(yīng)總線模塊具有極強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)特性,在溫度、濕度測控網(wǎng)絡(luò)化方面得到了快速的發(fā)展。

利用嵌入式高速微處理器ARM和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20構(gòu)建的測溫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)靈活、方便、抗干擾能力也較強(qiáng)、分辨率高、高速處理數(shù)據(jù)，適合于在惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量。因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

（4）數(shù)據(jù)采集與串口通信功能：嵌入式系統(tǒng)由于集成了UART串口部件交換數(shù)據(jù)，故串口通信是一種最基本的通信手段。系統(tǒng)中，系統(tǒng)中DS18B20負(fù)責(zé)溫度采集、ARM處理器負(fù)責(zé)處理和控制，上位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場可視化檢測顯示下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)和對下位機(jī)進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置。通過Embest EDUKIT-П/Ш開發(fā)板的串口UART0與PC機(jī)進(jìn)行設(shè)備間的通訊，構(gòu)成總線式測溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（5）LED顯示與控制：采用共陰極8段數(shù)碼管來顯示溫度，其顯示由ZLG7290控制，其中DIG1~DIG8引腳輸出LED顯示所需的位驅(qū)動(dòng)信號，而SEGA~SEGG及DP引腳輸出LED顯示所需的段驅(qū)動(dòng)信號。

（6）看門狗電路：看門狗電路是保證系統(tǒng)長期、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行的有效措施，是在微控制器受到干擾進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)后，使系統(tǒng)在一定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行復(fù)位，看門狗定時(shí)器會(huì)在每128個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號，也可作為一個(gè)通用的16位中斷定時(shí)器來請求中斷服務(wù)。

總結(jié)

基于單片機(jī)技術(shù)的花房控制系統(tǒng)不但能解決設(shè)施花房溫度和光照的控制問題，為花卉培育的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?，F(xiàn)代化發(fā)提供必要的技術(shù)支撐。同時(shí)以實(shí)現(xiàn)GSM對花房實(shí)施遠(yuǎn)程人工控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測，用戶通過發(fā)送信息指令控制花房的各項(xiàng)參數(shù)，保證各項(xiàng)參數(shù)在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，減輕勞動(dòng)者的壓力，節(jié)省時(shí)間，減少開支，增加收入，有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

將嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),可將監(jiān)視范圍擴(kuò)大到更大的空間,進(jìn)一步推進(jìn)了控制技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化、分散化和開放化的發(fā)展,將成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)重要的發(fā)展方向之一?；贏RM的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)，不僅電路簡單，而且方便實(shí)用。還可以在系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入更多的監(jiān)視信號，如濕度、壓力等；也可以通過現(xiàn)場顯示、有線傳輸、無線發(fā)送等方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，使得整個(gè)系統(tǒng)在傳輸方式和采集的數(shù)據(jù)信息上均可實(shí)現(xiàn)多樣化。

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