最新温室大棚温湿度监测系统解决方案设计.docx

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最新温室大棚温湿度监测系统解决方案设计

温室大棚温湿度监测系统解决方案设计

摘　要：

设计了一种温室大棚温湿度监测系统，采用一体化温湿度传感器ＳＨＴ１１实时检测环境温湿度，采用图形点阵型液晶ＪＣＭ１２２３２同屏显示温湿度值和上下限报警值；通过ＵＳＢ接口将采集到的实时数据上传给ＰＣ机，实时监测温湿度值；同时，ＶＢ编写程序实现了绘制温湿度历史变化曲线或实时曲线。

单片机采用ＳＴＣ８９Ｃ５２主控芯片，通过按键设置温湿度上下限值，报警部分使用有源蜂鸣器，电源部分采用ＵＳＢ接口供电，即插即用、通用性强。

实验表明，该监测系统性能稳定、工作可靠，具有示值稳定性好等特点。

关键词：

温室大棚；温湿度；温湿度监测系统；单片机；监测

0　引言

在大棚蔬菜种植等场合经常要用到温、湿度采集系统，传统的方法是利用湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的温室大棚进行通风、去湿或加温等工作。

这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度以及湿度误差大，随机性大。

故需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度自动测量系统，对温室大棚内的温度以及湿度变化情况进行实时自动测试，一旦出现异常现象便于及时分析和处理，将会有效地提高工作效率；同时，若能将采集到的温湿度信息传入电脑，再利用ＰＣ机的各类分析软件对其进行实时监控、分析和处理，打印出历史曲线，建立出一种管理方便、操作简便、运行可靠的高效率控制系统将是极为有意义的，也是当今测试仪器向高速、便捷、网络化发展的一个重要方向。

1　温湿度监测系统设计

温湿度监测系统分为下位机数据采集部分和上位机数据实时监测处理部分。

下位机可作为独立模块使用，主要完成温湿度信息的采集、数据处理和显示、上下限数据的设置、超温报警以及数据上传功能。

上位机将接收的数据进行简单处理后实时显示并打印出历史曲线。

该系统主要包括温、湿度信息采集，温、湿度上下限设定，数据换屏显示，声光报警，ＵＳＢ数据通讯以及ＰＣ机数据处理模块，框图如图１所示。

2　硬件电路设计

2．1　USB通信电路

系统采用ＣＨ３４１作为ＵＳＢ接口通信芯片。

此芯片是一个ＵＳＢ总线的转接片，通过ＵＳＢ总线提供异步串口、打印口、并口以及常用的２线和４线等同步串行接口。

设计通过使用其提供的异步串口功能，与单片机进行ＵＳＢ数据通讯。

由于电脑串口ＲＳ２３２的电平是－１０～＋１０Ｖ，而单片机应用系统的信号电压是ＴＴＬ电平０～＋５Ｖ，故与ＣＨ３４１通讯时需进行电平转换。

将ＴＴＬ电平转换为ＲＳ２３２电平后传入ＣＨ３４１中，设计采用ＭＡＸ２３２用来进行电平转换，该器件包括２个驱动器、２个接收器和１个电压发生器电路提供ＴＩＡ／ＥＩＡ－２３２－Ｆ电平。

ＭＡＸ２３２芯片可以完成两路ＴＴＬ／ＲＳ－２３２电平的转换，ＭＡＸ２３２的９和１０引脚是ＴＴＬ电平端，用来连接单片机，１１和１２引脚分别接ＣＨ３４１芯片的ＴＸＤ和ＲＸＤ引脚。

详细电路图，如图２所示。

2．2　温湿度采集电路

系统采用ＳＨＴ１１单片智能化温湿度传感器。

测量相对湿度的范围是０～１００％，分辨力高达０．０３％，最高精度为２％ＲＨ；测量温度的范围是－４０～１２３。

８℃，分辨率为０．１℃；测量露点的精度＜１℃。

连接时，仅需要两条口线即可实现单片机和ＳＨＴ１１的双向通讯，在使用中不需要任何外围元件，被测温度通过编程可实现９～１２位的数字方式串行输出，测温范围大、精度高。

电路如图３所示，上拉电阻１０ｋΩ，Ｃ为电源退耦电容。

2．3　显示模块

设计使用的液晶模块是ＪＣＭ１２２３２图形点阵型液晶模块，它是一种内置８１９２个１６倡１６点汉字库和１２８个１６倡８点ＡＳＣＩＩ字符集图形点阵液晶显示器，主要由行驱动器／列驱动器以及１２８倡３２全点阵液晶显示器组成。

液晶模块主要是将主机处理后的数据显示出来。

该模块与单片机连接简单，只需单片机的３位Ｉ／Ｏ口分别与液晶模块的ＳＣＬＫ，ＳＩＤ，ＣＳ相接。

在系统中，为了布线简单以及驱动能力更强，分别用单片机Ｐ２．０，Ｐ２．１，Ｐ２．２接液晶显示器的ＣＳ，ＳＩＤ，ＳＣＬＫ端，具体的连接如图４所示。

2．4　报警电路

为了在温湿度测量中对温湿度的上下限超出提示报警，设计采用蜂鸣音报警电路。

通过单片机的１根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声，使用三极管驱动，如图５所示。

单片机的Ｐ３．７通过电阻R２接三极管的基极，R３接在基极和发射极上。

当Ｐ３．７输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器发声；当Ｐ３．７输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。

3　系统软件设计

3．1　下位机软件设计

软件部分是系统运行的核心，下位机包括温湿度数据采集部分、ＵＳＢ数据发送部分、按键处理部分和数据结果处理换屏显示部分以及软件校验。

在设计下位机软件时，ＵＳＢ数据通讯模块采用在定时器０中触发串口中断实现，定时器０设置为５０ｍｓ中断１次，所以在主程序中需首先对串口中断，定时器０中断进行初始化。

此外，由于液晶显示模块采用ＪＣＭ１２２３２，因而还需对液晶显示器进行初始设置，然后将温湿度传感器采集到的数据转变为液晶显示器能够识别的ＡＳＣＩＩ码值，显示出来。

在主程序中还设计了按键处理程序，分别用来对温湿度的上下限值进行设定。

设置完成后，当实时温度等于设定温度的上下限时，或者实时湿度等于设定湿度的上下限时，报警电路触发。

详细的下位机主程序流程图如图６所示。

系统中，单片机系统向ＵＳＢ接口芯片的数据传输是利用在定时器０中触发串口中断的形式完成。

并于ＰＣ机系统达成协议，当ＦＬＡＧ３标志位为０时发送的是温度信息；当标志位ＦＬＡＧ３为１时发送的是湿度信息。

然后，由ＰＣ机系统软件将接收到的数据分别处理，打印历史曲线并显示，详细流程如图７所示。

定时器０初始化初值设置为：

ＴＭＯＤ＝０ｘ０１；ＴＲ０＝１；ＩＥ＝０ｘ８２；ＴＨ０＝（６５５２５－５０００００）／２５６；ＴＬ０＝（６５５３５－５０００００）％２５６，流程图设计如图８所示。

数据采集软件主要实现单片机系统ＳＴＣ８９Ｃ５２对温湿度传感器ＳＨＴ１１的初始化、发送测量命令及数值的读取，还有实验调试时的显示等辅助程序。

按键处理程序主要用于ＦＬＡＧ３发送信息标志位，温、湿度上限值和下限值的设置。

在正常情况下，绿灯亮，显示器第１行显示实时温度，第２行实时湿度。

当设置键按下１次时，显示温度信息，第１行显示实时温度，第２行显示上限温度和下限温度。

在此情况下，按１次加速键，温度上限加１℃，按１次减速键，温度上限减１℃。

当设置键第２次按下时，仍然温度信息，第１行显示实时温度，第２行显示上限温度和下限温度；在此情况下，按１次加速键，温度下限加１℃。

按１次减速键，温度下限减１℃；当设置键第３次按下时，显示湿度信息，第１行显示实时湿度，第２二行显示湿度上限和湿度下限；在此情况下，按１次加速键，湿度上限加１％ＲＨ，按１次减速键，湿度上限减１％ＲＨ。

当设置键第４次按下时，仍然显示湿度信息，第１行显示实时湿度，第２行显示上限湿度和下限湿度；在此情况下，按１次加速键，湿度上限加１％ＲＨ，湿度下限减１％ＲＨ。

当设置键第５次按下时，显示器显示恢复正常显示，即显示实时温度和实时湿度。

软件流程图如图９所示。

在温湿度数据通信系统中，单片机与ＰＣ机之间的数据通信采用ＵＳＢ接口芯片ＣＨ３４１实现。

由于ＣＨ３４１是在转异步串口的方式下获取单片机系统数据的，所以ＣＨ３４１芯片与单片机之间的信息交换是通过串行通信实现。

在时序处理中，单片机主动发送命令或数据，触发中断，然后ＣＨ３４１芯片将发送的命令和数据传入ＰＣ，进行相应处理。

3．2　上位机软件设计

设计采用ＶＢ作为上位机软件开发平台。

ＶＢ的ＭＳＣｏｍｍ通信控件具有丰富的与串口通信密切相关的属性及事件，提供了一系列标准通信命令的接口，可以用它创建全双工的、事件驱动的、高效实用的通信程序。

图１０为上位机软件运行界面。

各控件的使用方法及功能如下：

１）修改“ＣＯＭ口”可以改变ＰＣ机与ＵＳＢ－ＳＥＲＩＡＬ的端口连接位置，应根据具体硬件连接而定。

２）修改“波特率”可以改变ＭＣＵ与ＰＣ机的数据传输速率，具体应在下位机软件里进行设置，上位机软件进行数据选择。

若波特率不匹配，则不能正常接收所传数据。

３）修改“校验位”同波特率原理类似，共有ＮＯＮＥ、奇校验、偶校验３种模式。

同样，应视下位机软件传输协议而定。

４）修改“数据位”：

软件中提供４，５，６，７，８等５种选择方式，应根据单片机中软件设置而定。

５）点击“连接”命令按钮：

将ＰＣ机与下位机进行连接，若端口设置窗口正确，则ＳＨＡＰＥ１控件动作，同时指示灯亮，显示“已连接”。

相反，若端口信息设置错误，则显示未发现端口。

６）点击“断开”命令按钮：

将ＰＣ机与下位机断开。

７）点击“退出”命令按钮：

ＰＣ机与下位机断开，同时软件界面退出。

８）温湿度信息窗体中显示当前温度和当前湿度信息。

当软件接收温度信息时，“温度”指示灯亮，同时内码窗中显示实时温度值；当软件接收湿度信息时，“湿度”指示灯亮，同时文本框中显示实时湿度值。

９）点击“重新采样”命令按钮：

ＰｉｃｔｕｒｅＢｏｘ控件动作，准备绘制实时曲线。

１０）点击“开始／暂停”命令按钮：

当“重新采样“命令按钮已经按过后，单击此控件，软件将根据所传温湿度信息实时打印变化曲线，再次单击后，则打印停止。

１１）“温湿Ｃ／湿度％”：

此窗体是为打印温湿曲线而设计，利用ＰｉｃｔｕｒｅＢｏｘ控件进行信息实时打印，当打印温度信息时，默认为“Ｃ”；当打印湿度信息时，默认为“％ＲＨ”。

利用ＭＳＣｏｍｍ控件的Ｉｎｐｕｔ属性接收数据，Ｉｎｐｕｔ属性从接收缓冲区中返回一串数据，它在设计阶段是无效的，在运行阶段也只能读，属性的返回类型为Ｖａ-ｒｉａｎｔ。

ＩｎｐｕｔＬｅｎ属性值决定着Ｉｎｐｕｔ属性读取的字符个数，将ＩｎｐｕｔＬｅｎ设为０，意味着利用Ｉｎｐｕｔ属性读出接收缓冲区中的所有内容。

4　系统测试

系统调试采用模块化调试和整体组合调试相结合的方法来进行。

经过模块化的软件仿真、硬件电路调试和组装测试，最终实现了单片机系统的温湿度数据采集功能、从机液晶初步显示功能、按键上下限温湿度设定功能、声光报警功能、ＵＳＢ数据传输功能以及ＰＣ机的ＵＳＢ数据接收功能、温湿度处理显示功能和温、湿度信息历史曲线打印等功能。

该温湿度测量装置在实际工作中具有很好的效果，表１为该装置在温室大棚中所采集数据中的一部分，采集时间间隔３ｍｉｎ，通过与标准温度计和专用湿度计对比分析，温度误差不超过湿度误差，不超过±４％。

5　结束语

本文设计的基于ＵＳＢ接口温湿度监测系统，结构简单、使用方便，具有小型化、可视性好等特点；同时采用ＵＳＢ接口和上位机连接，实时打印温湿度变化曲线，具有一定的推广应用价值。

［１］　卢超．基于ＰＣ机与单片机分布式温度采集系统的设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００７（６）：

３５－３７，５７．

［２］　ＣｈａｏＬＵ．ＷｉｒｅｌｅｓｓＧｒａｎａｒｙＴｅｍｐｅｒｔｕｒｅａｎｄＨｕｍｉｄｉｔｙＭｏｎｉ-ｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ［Ｃ］／／ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１１．

［３］　杨振江．智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用［Ｍ］．西安：

西安电子科技大学出版社，２００１．

［４］　卢超．基于ＣＡＮ总线分布式矿井温湿度监测系统［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１１（９）：

９４－９９．

［５］　冯显英，葛荣雨．基于数字温湿度传感器ＳＨＴ１１的温湿度测控系统［Ｊ］．自动化仪表，２００６（１）：

５９－６１．

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。

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托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。

因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。

）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。

1、传感模块：

即环境传感监测系统。

它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：

即终端智能控制系统。

它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：

即实时视频监控系统。

主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：

即远程植保预警系统。

可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：

即农产品安全溯源系统。

该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

6、作业模块：

即中央控制室。

可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。