張寶峰，楊 雷，朱均超，趙 巖，劉 娜

(1.天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津 300384；2.天津濱海茶淀葡萄科技發(fā)展有限公司，天津 300450)

溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張寶峰1，楊 雷1，朱均超1，趙 巖1，劉 娜2

(1.天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津300384；2.天津濱海茶淀葡萄科技發(fā)展有限公司，天津300450)

針對傳統(tǒng)溫室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性和精度不足，以及溫室大棚環(huán)境內(nèi)布線復(fù)雜的問題，在現(xiàn)有的溫室自動監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，搭建了基于STM32單片機的溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器檢測空氣溫度，SHT10濕度傳感器檢測空氣濕度。檢測數(shù)據(jù)結(jié)果通過串行通信發(fā)送至MCGS觸摸屏進行實時顯示。MCGS觸摸屏根據(jù)預(yù)先設(shè)定溫濕度范圍對數(shù)據(jù)進行判斷處理，發(fā)出相應(yīng)的警報，并啟動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境進行調(diào)控。利用數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)，將現(xiàn)場檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，實現(xiàn)了對溫室溫濕度的遠程監(jiān)控。實地測試表明，溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的溫度檢測精度為±0.2℃，濕度檢測精度為±3%RH。相對傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，智能監(jiān)控系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定性好、反應(yīng)迅速、界面操作簡單、自動化程度較高、方便擴展和集中式監(jiān)控等特點。系統(tǒng)檢測精度可以滿足普通溫室大棚的要求，投入成本低，適合在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域推廣。

智能監(jiān)控系統(tǒng)； STM32單片機； 傳感器； 數(shù)據(jù)傳輸； 通信協(xié)議

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日新月異，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，技術(shù)向智能化和現(xiàn)代化方向發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中兩個關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)，溫度與濕度逐漸受到人們重視[1-2]。如何快速、準確、方便地對溫濕度進行測量和控制，對生產(chǎn)力的提高有著極為重要的意義。智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時采集并分析溫室大棚環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)朝著精細化、數(shù)字化的方向發(fā)展[3-4]。將STM32F103RC單片機作為系統(tǒng)控制芯片，DS18B20和SHT10傳感器分別作為溫度、濕度檢測裝置，MCGS觸摸屏作為顯示裝置。它們與數(shù)據(jù)傳輸單元(datatransmissionunit,DTU)模塊共同組成溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)空氣溫濕度的實時監(jiān)測[5-8]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

將STM32單片機作為監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，處理命令數(shù)據(jù)和有效溫濕度數(shù)據(jù)，對各個傳感器節(jié)點與執(zhí)行機構(gòu)分別進行數(shù)據(jù)的采集和控制，同時及時反映環(huán)境監(jiān)測點的工作狀況以及各個監(jiān)測點的溫濕度。當(dāng)環(huán)境溫濕度不在預(yù)先設(shè)定范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)發(fā)出警報，并開啟相關(guān)控制執(zhí)行機構(gòu)，對溫室內(nèi)的溫濕度進行適當(dāng)調(diào)控。

智能監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)包含溫度控制機構(gòu)和濕度控制機構(gòu)。溫度控制機構(gòu)主要由排氣裝置和加溫裝置組成。當(dāng)溫室環(huán)境溫度過高時，循環(huán)風(fēng)機將熱氣流從大棚上部排出，以達到降溫效果；當(dāng)環(huán)境溫度過低時，采用送熱風(fēng)的方式增加溫室溫度，以加熱電熱棒的形式增加熱量。濕度控制機構(gòu)主要由通風(fēng)裝置和加濕裝置組成。當(dāng)環(huán)境濕度過高時，開啟通風(fēng)裝置，降低環(huán)境濕度；當(dāng)濕度過低時，開啟加濕裝置來提高環(huán)境濕度。

GPRS DTU部分與單片機應(yīng)用RS-232總線相連，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將檢測結(jié)果及時上傳到服務(wù)器和云端設(shè)備[9]，以便用戶了解溫室環(huán)境的溫濕度情況并及時作出調(diào)整[10]。此外，GPRS DTU傳輸過程完全透明化，傳輸過程中不改變數(shù)據(jù)格式[11-12]。

1.2通信電路設(shè)計

基于STM32的溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊與顯示模塊之間，采用RS-485通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。其中，ADM2483差分總線收發(fā)器是一款集成式電流隔離器件，適用于多點總線傳輸線路的雙向數(shù)據(jù)通信。它針對平衡傳輸線路設(shè)計，符合ANSITIA/EIARS-485-A和ISO8482:1987(E)標準。該器件采用ADI公司的iCoupler技術(shù)，將三通道隔離器、三態(tài)差分線路驅(qū)動器和差分輸入接收器集成于單封裝中。器件邏輯端可以采用5V或者3V電源供電，總線端則采用5V電源供電。RS-485輸出端分別包含RS-485(A)端和RS-485(B)端，可用作多點測量串聯(lián)接線端。

1.3電源模塊設(shè)計

溫室溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的電源電路設(shè)計如圖2所示，分別是3.3V電源電路和5V電源電路。

圖2 電源電路設(shè)計圖

電源模塊主要由LM2576D2T-5和LM1117-3.3芯片器件構(gòu)成。這兩個芯片具有帶負載能力強、輸出阻抗小等特點，能夠提供穩(wěn)定的供電電壓。其將開關(guān)電源輸入的12V直流電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓與3.3V電壓。其中，5V電壓主要為輸出控制模塊供電；3.3V電壓主要給STM32芯片、JTAG調(diào)試接口、實時時鐘、數(shù)據(jù)存儲、RS-485等模塊供電。

1.4數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

溫室溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計圖

圖3(a)是濕度傳感器SHT10的測量電路，采用SHT10系列螺紋式防護型溫濕度傳感器。該傳感器集成了傳感元件和信號處理元件，兩線數(shù)字輸出分為數(shù)據(jù)線和時鐘線，輸出全標定的數(shù)字信號，以增加SHT10可用性以及穩(wěn)定性。濕度測量在0～100%RH范圍內(nèi)，可以達到±2.5%RH的精度。圖3(b)是DS18B20溫度傳感器的測量電路，只需要一條總線即可實現(xiàn)與單片機之間的雙向通信;直接串行輸出數(shù)字信號，最快可在93.75ms內(nèi)把溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DS18B20的電壓范圍更寬，為3.0～5.5V，可實現(xiàn)在-55～+125℃范圍內(nèi)的溫度測量，在-10～+85℃范圍精度為±0.1℃，滿足系統(tǒng)需求[13]。

1.5數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)顯示模塊采用MCGS組態(tài)屏幕，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能，用于讀取溫濕度數(shù)據(jù)。MCGS組態(tài)顯示部分主要包括數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測功能、歷史數(shù)據(jù)查看功能、數(shù)據(jù)曲線查看功能、數(shù)據(jù)報表功能和報警功能。工作人員可以通過實時監(jiān)測畫面，對溫室內(nèi)各個環(huán)境監(jiān)測點的溫濕度進行實時監(jiān)測、查看；可以通過查看歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線查詢畫面，方便地觀察近期的溫濕度變化趨勢。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)初始化之后，單片機對溫濕度數(shù)據(jù)進行采集，并將測得數(shù)據(jù)發(fā)送給MCGS顯示部分和DTU模塊;DTU模塊將測得數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)終端和云端設(shè)備；上位機接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行判斷處理。如果數(shù)據(jù)值在設(shè)定值的限定范圍內(nèi)，則不進行其他操作，繼續(xù)監(jiān)控；如果數(shù)據(jù)值不在設(shè)定值的限定范圍內(nèi)，則啟動報警功能提示工作人員，并啟動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，對整個環(huán)境進行合理調(diào)控。

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

2.2主、從機軟件設(shè)計

智能監(jiān)控系統(tǒng)的主、從機程序流程如圖5所示。系統(tǒng)從主機部分開始運行，具體工作流程如圖5(a)所示；然后運行從機程序，具體工作流程如圖5(b)所示。由于RS-485是半雙工通信方式，主機發(fā)送命令之后，需要立即將RS-485串口通信由發(fā)送數(shù)據(jù)端改為接收數(shù)據(jù)端，等待接收從機的響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖5 程序流程圖

3 準確性試驗

本文選用玻璃水銀溫度計作為與測試溫度作對比的標準溫度計；選用手持式數(shù)字濕度計作為標準濕度計。為確保環(huán)境測量結(jié)果的準確性，溫度計和濕度計均被送往天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院進行了標準檢定和校準，計量檢定機構(gòu)授權(quán)證書號為(國)法計(2012)01009號。經(jīng)檢定，溫度計在0～100℃范圍內(nèi)的測量精度是0.15℃，濕度計在0～100%RH范圍內(nèi)的測量精度是2%RH，并給出相應(yīng)的修正值。天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院頒發(fā)溫度計、濕度計檢定校準合格證書，編號分別是RGgb1603002和XNJZjw1603670。分別選用檢定過的溫度計和濕度計，以衡量系統(tǒng)溫濕度檢測的準確性。

系統(tǒng)搭建完成后，進行實地測試，檢驗溫室內(nèi)的溫濕度。以下隨機選取測量數(shù)據(jù)中連續(xù)24h的參數(shù)變化，與標準的溫度計和濕度計進行比較。其中，整點時刻的環(huán)境參數(shù)與標準值對比如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)值與標準值對比

選取連續(xù)24h整點時刻傳感器所測溫濕度數(shù)據(jù)，并將其與標準溫濕度數(shù)據(jù)相比較。所得溫濕度值對比曲線如圖6所示。

圖6 溫濕度值對比曲線

排除特殊因素影響，將系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)與標準儀器測得的數(shù)據(jù)相比較并分析可知：智能監(jiān)控系統(tǒng)溫度測量的平均精度可達±0.2℃，濕度測量的平均精度可達±3%RH。

智能監(jiān)控系統(tǒng)于天津某農(nóng)業(yè)溫室大棚實地測試至今(10個月)未發(fā)生異常，在溫濕度允許的誤差范圍內(nèi)，工作狀態(tài)良好、測試結(jié)果穩(wěn)定。工作人員反饋，智能監(jiān)控系統(tǒng)操作簡單，能夠方便地更改溫濕度的上、下限值，及時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的溫濕度因素，并且可以隨時查看歷史數(shù)據(jù)，有利于工作人員對不同時期的植物生長條件進行分析。

4 結(jié)束語

基于STM32的溫室溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)完成設(shè)計。該智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Ψ钦－h(huán)境溫濕度情況發(fā)出警報，并及時啟動溫濕度調(diào)控設(shè)備對環(huán)境溫濕度進行調(diào)控；以STM32單片機為系統(tǒng)控制核心，功耗低并且投入小，符合現(xiàn)代生產(chǎn)需要。實地測試證明：該系統(tǒng)溫度和濕度的偏差較小，可以滿足農(nóng)業(yè)工作人員的要求；系統(tǒng)可靠性好、運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)能夠更好地服務(wù)于日常生產(chǎn)，提高了工作效率，適宜在農(nóng)業(yè)溫室大棚領(lǐng)域推廣，有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的自動化水平，推進了農(nóng)業(yè)的智能化和信息化的進程。

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DesignandRealizationoftheIntelligentTemperatureandHumidityMonitoringSystemforGreenhouse

ZHANG Baofeng1，YANG Lei1，ZHU Junchao1，ZHAO Yan1，LIU Na2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin300384,China;2.Tianjin Binhai Tea Grape Science and Technology Development Co.,Ltd.，Tianjin300450,China)

In view of the lack of stability and accuracy in the traditional temperature and humidity monitoring system for greenhouse,and the problem of wiring complexity in greenhouse environment; under the premise of the existing greenhouse automatic monitoring system,and based on STM32single chip computer,the intelligent temperature and humidity monitoring system of greenhouse is set up.In this system,DS18B20temperature sensor is used to detect air temperature,and SHT10humidity sensor is used to detect air humidity; the results of detected data are sent to the MCGS touch screen through serial communication for real-time display.In according to the preset temperature and humidity range,the MCGS touch screen judges and processes the data,and provides appropriate warning and alarming，and starts corresponding actuators to control environment in the greenhouse.By using the data transmission unit (DTU),the temperature and humidity data detected in the field are transmitted to the monitoring center,and remote monitoring of greenhouse temperature and humidity is realized.Field tests show that the detection accuracy of temperature is ±0.2℃,and the detection accuracy of humidity is ±3%RH.Compared with traditional monitoring system,the intelligent monitoring and control system has many advantages,such as stable operation,fast response,simple operation interface and high level automation.The detection accuracy of system can satisfy the requirements of ordinary greenhouse,and low costs is suitable for agricultural applications.

Intelligent monitoring system; STM32single chip computer; Sensor; Data transfer; Communication protocol

TH70;TP27

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710020

修改稿收到日期:2017-04-17

天津市科技計劃基金資助項目(16ZHLNC00050)

張寶峰(1962—)，男，博士，教授，主要從事計算機科學(xué)與技術(shù)(圖像處理與計算機視覺)、先進檢測方法和智能化儀表的研究。E-mailzhangbaofeng@263.net。

楊雷(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事傳感技術(shù)與自動化檢測系統(tǒng)的研究。E-mail：1374578075@qq.com。