基于ARM 7的花卉大棚温湿度监控系统的应用与研究

2010-02-28刘建军郝尚富

河北北方学院学报（自然科学版） 2010年1期

刘建军,郝尚富

(河北北方学院信息科学与工程学院,河北张家口075000)

随着人民生活水平的不断提高,人们越来越重视生活、工作环境的美化.而布置观赏花卉是一种很好的美化方式,同时观赏花卉在各种庆典活动和礼仪仪式上更是必不可少的.因此,花卉养殖和销售有着广泛的市场.但是,观赏花卉对养殖和销售环境的温湿度要求很高,多数花卉要求环境温度在15℃～35℃之间,相对湿度在60%～80%之间.没有合适的温湿度条件,会严重影响花卉的生长和观赏效果.对于我国北方地区,秋、冬和春季空气干燥,昼夜温差大,特别是冬季,平均空气相对湿度在20%以下,昼夜温差可达到15℃～20℃,这种气候条件对花卉养殖和销售带来很大的影响[1].所以,花卉大棚中必须有采暖/降温和加湿/通风系统,以便根据大棚温湿度情况进行调节.由于受经济和技术条件的限制,多数大棚采用人工方式进行检测和控制.对于规模较大的大棚,人工方式既不方便又浪费人力,且不易保存温湿度历史数据.

嵌入式大棚温湿度监控系统是利用嵌入式系统的强大处理/控制能力和高可靠性、实时性、低功耗、低成本和应用灵活的特点[2],用一片A TM EL公司的ARM 7TDM I处理器A T91SAM 7X256构成嵌入式Web Server,通过RS-485总线将多个数据采集/控制模块 (监控仪表)连接起来从而构成多点监控网络[3].嵌入式Web Server可以实时采集各个监控点的温湿度数据,同时嵌入式Web Server具有以太网接入功能,可以将采集到的数据通过局域网或Internet传输到监控计算机[4].系统整体结构图如图1所示.

根据实际应用的要求,温湿度控制设备的启动与停止可以有各个监控仪表分别控制,也可以由嵌入式Web Server集中控制.

1 嵌入式Web Server

嵌入式Web Server的主要功能是以Web页面的形式向监控计算机提交从监控仪表采集到的数据,并完成对监控仪表的控制和对整个监控系统的设置与访问控制.具体功能如下：

采用巡检方式,对网络中各个监控点进行实时监控.若出现监控点温湿度超出设定范围5 min以上,则声光报警并启动温湿度调节设备.

监控计算机通过IE浏览器可以设置各个监控点的温湿度上下限.

具有系统参数设置功能和访问控制功能,可以设置嵌入式Web Server的IP地址、子网掩码、网关、用户名和密码等参数.

嵌入式Web Server硬件电路以ARM 7内核微处理器芯片A T91SAM 7x256为处理器,同时构建基于微处理器的最小系统和以太网接口电路及RS-485接口电路构成.最小系统由保证微处理器能够稳定运行所必需的基本电路组成,包括ARM 7微处理器、电源电路和晶体振荡电路,以太网接口电路由一片工业级以太网芯片DM 9161AE及其外围电路来实现Internet接入[3].

一般的监控系统的软件部分设计为前后台系统或超循环系统 (Super-Loops).应用程序是一个无限的循环,循环中调用相应的函数完成相应的操作,中断服务程序处理异步事件.因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息这一步时才能得到处理,所以前后台系统不能最大程度的保证监控的实时性[6].本系统采用嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ和嵌入式 TCP/IP协议栈Lw IP结合的方式,系统任务的切换由μC/OS-Ⅱ任务调度机制实现,可以充分保证系统的实时性.Lw IP实现了监控系统的以太网接入功能.

μC/OS-Ⅱ是一个完全开放源代码的通用嵌入式实时操作系统,已经广泛应用于医疗、军事、航天、消费电子、通信和工业控制等领域,其可靠性得到了美国联邦航空管理局的认证.和其他嵌入式实时操作系统相比,μC/OS-Ⅱ具有体积小、可剪裁和实时性强等特点,非常适合于实时监控系统[7].由于μC/OS-Ⅱ设计为一个通用操作系统,所以在使用时需要根据目标处理器的体系结构进行相应的移植.μC/OS-Ⅱ本身没有集成 TCP/IP协议栈,所以需要将Lw IP移植到μC/OS-Ⅱ[8-10].

由于A T91SAM 7x256内部集成了256KB的FLASH和64 KB的SRAM,对于本系统,将μC/OS-Ⅱ和Lw IP移植后,大概只需要60 KB的存储空间,再加上系统应用程序部分,整个软件系统大概需要65 KB的存储空间,而64 KB的SRAM做为系统的运行空间也是足够的,所以系统不需要另外扩展存储空间.这样既简化了系统的设计,同时也提高了系统的可靠性,降低了功耗.另外,片内集成的FLASH和SRAM的访问速度要比片外扩展的存储空间的访问速度快,稳定性更好,系统运行更加流畅.系统网络参数、用户名和密码存储在A T91SAM 7x256内部FLASH中.

图1 大棚温湿度监控系统框图

2 数据采集 /控制模块 (监控仪表)

监控仪表主要实现数据的采集和对采暖/降温和加湿/通风系统的控制.

电路部分由单片机电路、数字温湿度传感器和RS-485接口电路构成.单片机采用A TM EL的A TM EGA 16L微控制器,数字温湿度传感器采用瑞士森斯瑞 (Sensirion)公司推出的SH T15型超小型、自校准、多功能式智能传感器,SH T15温湿度传感器的相对湿度测量范围0～100%,分辨率达0.03%,最高精度为±2%RH,温度测量范围-40～+123.8℃,分辨率为0.1℃,响应时间小于3 s[11].由于花卉大棚的采暖/降温和加湿/通风设备是开关设备,控制算法采用Bang-Bang控制.即通过设定被控量的上下限,通过控制仪表的继电器输出来控制各个设备的启动或停止.

软件部分主要由数据采集程序和RS-485通信程序构成,数据采集程序负责读取数字传感器采集到的温湿度数据并将其存储到A TM EGA 16L微控制器的片上RAM.RS-485通信程序负责接收嵌入式Web Server发来的控制命令并向嵌入式Web Server提交数据.

3 RS-485网络

RS-485是EIA制定的两线、半双工多点通信标准.RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力.加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200 m V的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复.RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制.RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线.应用RS-485可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器.RS-485的最大传输距离约为1 219 m,最大传输速率为10 M bp s.平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100 Kbp s速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度.为了达到较大的监控范围,本系统中RS-485的传输速率设定为9 600 Baud,嵌入式Web Server和监控仪表之间采用MODBUS协议通信.

4 结论

本系统已经在某花卉大棚得到应用,监控面积2 000 m2,共设5个监控点,各监控点经RS-485总线连接到嵌入式Web Server.通过TL-WR340G+路由器接入市场局域网和Internet.在 TL-WR340G+上将嵌入式Web Server配置为虚拟服务器,然后申请花生壳动态域名并在 TL-WR340G+上进行配置,从而实现了外网通过Internet对监控系统的远程访问.根据花卉市场的要求和北方气候特点,将温度上下限预设为15℃～35℃,湿度上下限预设为60%～80%RH[12].为了监测系统的性能和可靠性,使用VB6.0编写了简单的网页数据采集程序,每隔20 min获取一次温湿度数据及报警情况,并将获取到的数据存储到mdb数据库以便分析和统计,系统24 h实测数据统计如图2.

以上是2009年9月18日的温湿度数据,温度数据曲线变化趋势与当日气温曲线趋势基本吻合,但要高于室外气温5～8℃.4～10月份温度数据受人员活动的影响并不大,但在11～3月份,由于室内外温差大,所以温度数据会有较大的起伏,应重点监控.室内湿度曲线的变化主要受营业人员的活动及客流的影响,有时变动幅度较大.统计结果说明本系统能实时采集大棚温湿度数据,且采集到的温度数据与实测数据的误差≤0.5℃,湿度数据与实测数据的误差≤3%RH.能根据温湿度上下限发出报警信息和控制信号.系统连续运行60 d无故障出现,系统运行稳定,数据准确,性能完全满足应用需求.

随着我国大棚农业的发展,智能温湿度监控将代替传统的人工监控.本系统以其智能监控、高可靠性、低成本和应用灵活性将得到广泛应用.