(淮陰師范學院 數學科學學院,江蘇 淮安 223300)

0 引言

對于蔬菜大棚來說,棚內蔬菜的生長與溫度息息相關,因此蔬菜大棚最重要的一個管理因素就是溫度控制．溫度太低,蔬菜就會被凍死或則停止生長,溫度過高同樣也會影響蔬菜的生長發(fā)育和產量,所以蔬菜大棚溫度掌控至關重要．目前我國北方大部分農村地區(qū)有很多的蔬菜大棚規(guī)模種植區(qū),這種農村種植區(qū)域一般都是以農戶為單位組成的,每家農戶大約有1～4個蔬菜溫室大棚,在蔬菜大棚里安放水銀溫度計,靠人工觀測溫度,然后通過手動打開和關閉通風口來調節(jié)棚內溫度．雖然目前市場上有很多的蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)[1],此類系統(tǒng)結構復雜,一般采用具有大功率的電加熱裝置或其他投資較大的設備．因此這類系統(tǒng)的安裝和使用成本很高,一般的農戶是承擔不起的,故而極少使用．由于天氣的影響蔬菜大棚內的溫度變化是很迅速的,而蔬菜作物在不同的生長時期對溫度的要求也是很苛刻的,如果棚內溫度過高或過低來不及及時處理,不僅影響蔬菜的生長發(fā)育,又易誘發(fā)病害,最終導致作物減產,造成經濟損失．蔬菜大棚大都在村外的農田遠離居住地,種植戶由于某些原因不能時時在現(xiàn)場觀測溫度,致使棚里溫度發(fā)生異常,沒有來得及處理造成損失的情況經常發(fā)生．因此為了適應大多數普通農戶的需求,使農戶在投資很小的情況下解決這一問題,本文以低成本的無線收發(fā)芯片A7302A和A7201A為核心設計出無線溫度傳感器終端,利用現(xiàn)有的GSM網絡,設計出了一套組網簡單、安裝使用成本極低的蔬菜大棚溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)．

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)主要由無線溫度傳感器、無線數據采集模塊和GSM短信傳輸模塊構成的中心站(以下簡稱中心站)組成,原理框圖如圖1所示．每個中心站可以同時監(jiān)測32個大棚的溫度數據,每個棚內最多可以安裝8個無線溫度傳感器,即每個中心站能檢測和處理最多256無線溫度傳感器的溫度信息．這樣多個用戶可以共用一個中心站,故每戶的使用成本很低．

為了便于用戶安裝使用,無線溫度傳感器采用電池供電．中心站數據處理量大且任務較為繁重,故整體功耗較大,所以采用外接電源適配器供電．

系統(tǒng)的工作原理是:無線溫度傳感器根據需要分散安裝在大棚內部,按照設定時間間隔采集棚內的溫度數據,并把溫度數據通過無線方式上傳至數據采集基站．基站根據約定協(xié)議對數據進行處理分類,定時把各戶的大棚內的溫度數據通過GSM網絡以短信的形式分別發(fā)送至對應農戶的手機中．若大棚內溫度超過或低于設定溫度,中心站則立即向農戶手機發(fā)送溫度數據進行報警,及時通知農戶進行處理．

圖1 監(jiān)測報警系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 無線溫度傳感器設計

無線溫度傳感器原理框圖如圖2所示．溫度采集部分選用DS18B20[2-3]溫度傳感芯片,該芯片是美國DALLAS公司生產的單線數字溫度傳感器,具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點,可以直接將溫度信號轉化成為串行數字信號輸出供單片機進行處理．采用該數字式溫度傳感器可以大大提高溫度測量的可靠性、降低了功耗、縮小了體積．

圖2 無線溫度傳感器原理框圖

無線射頻部分采用中國臺灣笙科電子生產的無線射頻控制芯片A7302A[4],該芯片是一顆高度集成的ASK/FSK發(fā)射芯片,很低的功耗,少許設置以后內建的控制時序自動使A7302A進入運行狀態(tài),使得該芯片易于使用和省電．A7302A 支持硬件引腳控制和SPI控制接口,用戶能使用引腳SPIS以選擇接口模式．為了獲得更靈活的配置和控制故采用SPI模式,單片機PIC16F627A與A7302A采用SPI接口通訊,引腳SPIS接VDD即可使能SPI模式．433MHz是我們國家不用申請的無線發(fā)射接收頻率,可直接使用,因此要把頻率設置在433MHz的頻點內．在SPI模式下寄存器0[4]用于設置發(fā)射頻率和晶振頻率．發(fā)射頻率計算公式為:FRF=FCrystal*N/2R,其中R值取決于寄存器0的晶振頻率選擇位R[1:0][4]．晶振選用13.56MHz時,R=16,R[1: 0]=[01]．N值取決于寄存器0中NB和NA的值,因此可以通過改變NB和NA的值,就可以得到不同的發(fā)射頻率,在大的蔬菜大棚種植區(qū)域,可以把不同的中心站及其管理的無線溫度傳感器設置成不同的無線頻率,使其相互隔離運行．對于A7201A芯片,N=(16*NB)+NA其中:NB=46～144,NA=0～15．設置NB=63,NA=15,所以接收頻率:FRF=FCrystal*N/2R=13.56MHz*(16*63+15)/32=433.49625MHz．通過設置寄存器1[4]可以控制A7302A的工作狀態(tài),本系統(tǒng)對A7302A設置為:調制方式FSK,射頻頻帶433MHZ,待機時晶振停止,禁止時鐘輸出,最大發(fā)射功率．

單片機使用美國微芯(Microchip)科技公司生產的,采用納瓦技術的18 引腳8位CMOS 閃存單片機PIC16F627A[5-6]．該款單片機具有1024字節(jié)的FLASH程序存儲器,128字節(jié)EEPROM數據保存期40年,1個異步收發(fā)器USART,帶有可編程的片上參考電壓的2路模擬比較器．可工作在8種不同的振蕩模式,具有優(yōu)秀的低功耗功能．當電壓為2.0V 時,待機電流典型值為100nA,看門狗定時器電流典型值為1μA,頻率為32.768 kHz時Timer1 振蕩器電流值為1.2 μA．工作電壓3.0V時,從休眠狀態(tài)喚醒的典型值4 μs．無線溫度傳感器采用電池供電,為了實現(xiàn)設備的低功耗,本系統(tǒng)中單片機PIC16F627A使用如下設置:采用軟件模擬SPI口連結A7302A,對其進行配置．采用異步收發(fā)器USART發(fā)送數據,也作為信息設置端口與電腦串行口(COM口)連接進行參數設置．使能Timer1外部晶振,晶振采用32.768KHz．禁止看門狗,采用2MHz外部XT晶振．A7302A無線射頻電路見圖3．

圖3 A7302A無線射頻電路

2.2 中心站設計

數據采集和GSM傳輸基站(中心站)原理框圖如圖4所示．無線射頻部分采用中國臺灣笙科電子生產的一顆高集成度ASK/FSK射頻接收器A7201A[7],該芯片用于315/434MHz與A7302A 配對使用．

圖4 中心站原理框圖

同樣單片機STC12C5A08PWM與A7201A采用SPI接口通訊,引腳SPIS接VDD即可使能SPI模式．在SPI模式下寄存器0用于射頻頻率和晶振頻率設置,具體設置與A7302A計算公式相同,不同的是NB與NA值在寫入A7201A的寄存器0時要轉化成1的補碼形式．通過設置寄存器1[7]可以控制A7201A的工作狀態(tài),對于本系統(tǒng)對A7201A設置為:開啟自動增益控制,選擇高端頻帶,禁止時鐘輸出,最小中頻濾波器帶寬,射頻頻帶434MHZ,調制方式FSK,通過引腳控制芯片使能．A7201A無線射頻電路見圖5．

圖5 A7201A無線射頻電路

單片機采用宏晶科技生產的STC12LE5A08S2[8],該單片機采用增強型8051內核,比普通的8051快8～12倍;1280字節(jié)片內RAM數據存儲器,完全滿足中心站數據處理的要求;具有2個全雙工異步串行通訊接口(UART),一個與A7201A連接,另一個與嵌入式GSM模塊連接,同時也可以作為中心站信息設置端口與電腦串行口(COM口)連接進行參數設置;具有高速SPI串行通訊端口與A7201A連接．另外該單片機為國產,用于本系統(tǒng)具有很高的性價比．

GSM短信模塊通訊采用ZWG-01DP[9]嵌式模塊．該模塊是廣州致遠電子有限公司出品的一款嵌入式GSM短信模塊．它具有小巧的體積和靈活的應用方式,可以通過異步串口,非常方便的嵌入到用戶的設備中,該模塊同時提供配置串口和相應配置軟件,使用便捷．

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 通訊協(xié)議制定

由于A7302A和A7201A為單純的RF芯片,不會對傳送的數據做處理．如果傳送的數據中出現(xiàn)連續(xù)多個比特位為“0”或為“1”,在接收端容易引起位漂移造成接收數據錯誤[10]．針對這個缺點,因此采用了FSK調制方式和通過異步串行口(UART)傳送數據,因為FSK模式在接收端輸出的數據較為穩(wěn)定．加上異步串行口每發(fā)送一個字節(jié)的數,都要有一個起始位和停止位,所以連續(xù)的“0”和“1”不多于8個．因此在較高的傳送速率下,有很高的可靠性．為了進一步增加傳輸的可靠性,制定以下傳送規(guī)則．傳送數據幀格式見表1.

表1 數據幀格式

在傳送數據前發(fā)送一串“0”和“1”相間的數據作為前導碼,作用是穩(wěn)定接收端,增加接收靈敏度[11],比如0x55、0xAA等．識別碼作用是用于接收端識別數據的開頭,最好也是由不連續(xù)的“0”和“1”組成,且不能和前導碼相同．數據區(qū)格式見表2.

表2 數據區(qū)格式

數據區(qū)第一個字節(jié)中心站ID是表示該無線傳感器屬于哪個中心站管理,只有ID號相同的中心站才會處理該信息．溫度高低字節(jié)為無線傳感器采集的溫度數據,其中溫度高字節(jié)最高位bit7為“1”時,表示無線傳感器電池的電壓已低于警戒電壓,通知用戶及時更換電池．無線溫度傳感器ID 的高5位(bit7～bit3)是該傳感器所在大棚的編號,低3位(bit2～bit0)是傳感器所在大棚內的編號．中心站ID和無線溫度傳感器ID的信息,可以用專門編寫的設置軟件,通過電腦異步串行口(COM口)[12]連接無線溫度傳感器的設置端口進行設置,無線溫度傳感器上的單片機將設置的信息存放在自身的EEPROM內,掉電也不會丟失．CRC8用于中心站檢測接收的數據是否正確．無線傳感器采集完溫度數據按照以上的規(guī)則向中心站發(fā)送數據,中心站接收數據按照規(guī)則,分離出有效數據,通過計算和比對CRC8校驗碼,檢測數據的正確性,對則處理,錯則丟棄．

3.2 無線溫度傳感器軟件設計

無線溫度傳感器軟件設計時主要考慮兩點．首先,要把功耗做到最低,延長電池使用壽命;其次,理論上一個中心站最多能同時監(jiān)測255個無線溫度傳感器,因此在這種多點對單點無線通信系統(tǒng)中,要避免多個無線溫度傳感器同時發(fā)送數據時產生的相互干擾,即防止數據碰撞．所以為了解決這兩個問題在軟件設計時采用的方法是:增加溫度數據采集和發(fā)射數據時間間隔,每次發(fā)送完數據后在固定間隔的基礎上再增加一個隨機時間段,才進入下次發(fā)射．時間間隔選擇不能太短,太短功耗就會增加,也不能太長,太長系統(tǒng)數據實時性就會降低．根據本系統(tǒng)的特點和實踐經驗,采用基本時間間隔為60s,延時時間單位0.1s,隨機數范圍0～2047,共2048個發(fā)射點,大大減少數據碰撞的概率．因此最小發(fā)射間隔為60s,最大發(fā)射間隔60s+0.1s*2048=264.8s．

無線溫度傳感器上電,MCU完成自身初始化和配置完無線發(fā)射芯片A7302A后,讀取溫度數據,判斷完電池狀態(tài)后將數據發(fā)送出去,發(fā)送完畢后設置A7302A進入睡眠模式,以降低功耗,然后生成一個0～2047范圍的隨機數,根據這個隨機數設置Timer1的計時時間,允許Timer1中斷和全局中斷,啟動Timer1定時器,最后MCU進入睡眠模式．在MCU進入休眠模式前,所有I/O 引腳都應該保持為VDD 或VSS 電平,不要有外部電路通過I/O 引腳和比較器消耗電流,同時應禁止VREF和一切沒有使用的外設,將電流消耗降至最低．此時MCU外部晶體停振,只有Timer1定時器處于工作狀態(tài),當Timer1定時器定時時間到,引發(fā)中斷從而喚醒MCU進入工作模式,開始新的一輪數據采集與發(fā)送．參數設置采用上電檢測設置開關狀態(tài),如果是高電平則進入參數設置狀態(tài),否則進入正常工作狀態(tài)．程序主流程圖見圖6．

3.3 中心站軟件設計

中心站的主要任務是實時接收數據和處理數據,以及利用GSM網絡向指定用戶手機以短信的形式發(fā)送信息．中心站MCU的異步串行口采用中斷的方式接收A7201A輸出的數據,該串行口中斷的優(yōu)先級設為最高,并且接收數據緩沖區(qū)位于片內RAM數據區(qū)．串行口中斷服務程序只需將接收到的數據存放于接收數據緩沖區(qū),并修改數據指針,不對數據進行處理．數據處理在主循環(huán)中執(zhí)行,處理完的溫度數據以大棚編號和棚內編號2維的形式分別存放至擴展存儲器XRAM中．最后大棚編號也要與農戶手機號碼,形成一一對應關系．中心站參數的設置,同樣采用上電檢測設置開關狀態(tài),如果是高電平則進入參數設置狀態(tài),否則進入正常工作狀態(tài)．程序主流程圖見圖7．

圖6 無線溫度傳感器程序流程圖

圖7 中心站程序流程圖

4 結論

通過模擬實驗,系統(tǒng)能夠實現(xiàn)設計目標．本系統(tǒng)投資少、安裝靈活、使用簡單、運行成本低,非常適用于廣大農村以農戶為單位的蔬菜大棚規(guī)模種植區(qū)使用．同時也可應用于其他一些需要進行遠程分布式、多點溫度監(jiān)測報警的場合．

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