基于W5100的网络化温室大棚环境监测系统

白云州

BAI Yun-zhou

（海南大学三亚学院 电子信息工程系，三亚 572000）

0 引言

温室大棚是农业的重要组成部分，是解决菜篮子工程的重要项目之一，正朝着自动化和智能化的方向发展。农作物对生长环境中的温度、湿度以及光照都特别敏感，一旦温室大棚里的这些环境指标控制不好就很容易导致作物减产，甚至病变死亡的情况。同时，长期以来温室大棚依靠人工管理，还存在效率低、生产成本高、消耗人力资源等缺点。伴随着信息技术的推广，依托计算机和通信科学的智能化管理势在必行。为实现温室大棚的信息化管理，采用C/S架构设计了远程环境监测系统，客户端能将远程温室大棚里的实时环境信息通过计算机网络传输到监控中心，监控中心的软件能够对这些数据进行处理、显示、分析和统计等工作。

1 系统总体设计

图1 系统总体结构

网络化温室大棚环境监测系统采用C/S架构设计，由多个环境监测点和监控中心组成。系统总体结构如图1所示。

环境监测点主要负责通过传感器获取温室大棚内的温度、湿度和光强信息，并将这些数据传送到监控中心；监控中心主要负责接收温度采集终端返回来的数据包，对数据包进行解包、处理、分析、显示和数据备份等功能。采用VC++6.0平台设计的监控软件具有动态曲线显示、系统设置、网络连接和历史查询等功能，该系统能为研究农作物的生长提供强有力的数据支持。

2 环境监测终端硬件设计

环境监测点硬件主要包括嵌入式处理器LPC2129、网络控制器W5100、温湿度传感器SHT11、光强传感器TSL2561以及报警单元等模块组成。硬件结构如图2所示。

图2 硬件组成

2.1 处理器LPC2129

LPC2129是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7 TDMI-S的微处理器，其结构是基于精简指令集计算机原理设计的，采用流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作，可实现高达60MHz工作频率，工作电压为3.3 V，内核工作电压仅为1.8V，大大降低了芯片的功耗。并带有256k字节嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，多达9个外部中断，多个32位定时器、4路10位ADC；具有 2个16C550工业标准UART、400 kHz高速I2C接口和2个SPI接口[2]。

LPC2129微处理器作为系统的核心，主要配合其他模块实现对温度、湿度、光强的采集、网络数据通信和报警等工作。

2.2 网络控制器W5100

W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100M以太网控制器。由于W5100内部集成了全硬件的、且经过多年验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层MAC和物理层PHY，支持TCP、UDP、IPv4，ICMP、ARP、IGMP和PPPoE。同时W5100内部还集成有16KB存储器用于数据传输。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口Socket编程，所以在使用W5100的时候，可以在没有操作系统的平台上实现Internet连接。主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。

LPC2129与W5100连接非常简单，就像访问外部存储器一样。W5100提供了3种接口方式：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。系统采用的是SPI接线方式，这种方式简单，只需通过处理器的SPI接口向W5100发送各种指令即可。

2.3 温湿度传感器

温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口SCK和DATA输出数字信号，支持CRC传输校验，传输可靠性高。内部结构如图3所示。出厂前，都会在恒湿或恒温环境巾进行校准，校准系数存储在校准寄存器中，在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号；相对湿度测量范围为0%～100%，精度为±3.5%；温度测量范围为-40～+120℃，精度为±0.5℃，有测量精度高、响应速度快、接口简单、低功耗等优点。

图3 SHT11内部结构

处理器LPC2129的SCk和DATA接口直接与SHT11对应相接，就可获得传感器的温度和湿度信息，利用降低分辨率的方法提高测量速率，减小芯片的功耗，当测量和通信结束后，其自动转入低功耗模式。

2.4 光强传感器

TSL2561是TAOS公司推出的第二代光强数字转换芯片，用于将光照强度转换成数字信号输出，具有直接与I2C衔接的接口，具有高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置等优点。TSL2561内部连接一个光敏二极管（通道0）和一个红外响应光敏二极管（通道1）。这个集成电路具有提供20位动态范围内近适光响应的能力。两个集成的积分式A/D转换器，可将光敏电流转换成一个数字输出，并存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中，数字输出表示测量每一个通道的光强。

微处理器LPC2129可直接通过I2C总线协议访问TSL2561，只需将该总线的时钟线和数据线直接与TSL2561的I2C总线的SCL和SDA线分别相连即可工作，读写其内部的16个寄存器的来实现对TSL2561的控制。

3 软件设计

环境监测客户端开机后首先进行初始化，然后主动与监测中心的服务端建立TCP网络连接。网络连接成功后，获取环境参数数据，依次分别获取温度、湿度和光强传感器的输出值，再将这些数据与系统内预设的环境参数范围作比较，如果某些参数超出设定的范围就发出报警信号，让工作人员及时调整温室大棚内的对应环境参数，之后将这些数据打包并发送至监控中心的服务端，数据发送成功后将继续进入循环；如果数据发送失败，则需要重新初始化程序，直到与服务端建立连接TCP连接后为止。软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图

4 测试结果分析

图5 测试结果

在windows操作系统环境下，利用VC++6.0编写温室大棚监控软件，监控软件主要由温度、湿度和光强度三个模块组成的。TCPServer控件作为服务器建立与各温室大棚环境监测客户端TCP连接，将来自各监测终端数据包经过分析处理，通过Teechart控件绘制动态曲线直观显示出来。监控软件具有系统设置、网络连接、历史数据再现、数据统计等功能。通过温室大棚里的温度数据进行测试，采集到的数据曲线如图5所示。

曲线历史数据在2010-09-15日00：00～2010-09-18日16：38：37的历史值。对实验结果分析：在夜晚的时候温室大棚内的温度会有明显的降低，到早上10点左右温度又有明显的上升，一般在下午2点左右温度达到最高。根据农作物对温度的影响就可以采取有效措施，控制温度在一定的范围之内。

5 结论

系统可以24小时实时感知温室大棚内的温度、空气湿度和光照等信息，并通过计算机网络发送到监控中心，从而摆脱了管理温室大棚监测环境参数在地理位置上的局限性。该系统经过测试，工作稳定、监测数据准确可靠，对具有一定规模的种植企业来说，能极大的降低劳动力成本，为研究农作物的生长提供强有力的数据支持，进而改变温室大棚内部的环境适应作物更好生长。

[1]薛玲,孙曼,张志会.基于单片机AT89S51的温湿度控制仪[J].化工自动化及仪表,2010,37（7）：66-69.

[2]刘洁,王祖麟,朱顺利.基于LPC2138的小型足球机器人控制系统设计[J].制造业自动化2008,30（3）：40-41.

[3]陈德海,梁毓明.低功耗温室无线测量节点的设计[J].自动化仪表,2010,31（5）：65-68.

[4]杨明慧,杨鹏,史旺旺.基于TSL2561的无线光强传感器节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010（6）：38-40.

[5]张星,王向军,文鹏程.基于TCP/IP协议的无线远程温湿度监控系统[J].仪表技术与传感器,2008（6）：44-46.