温室大棚多点温度采集系统的设计与实现

胡同花，周维龙

（1.永州职业技术学院 湖南 永州 425100;2.湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412008）

温室大棚多点温度采集系统的设计与实现

胡同花1，周维龙2

（1.永州职业技术学院 湖南 永州 425100;2.湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412008）

针对目前在温度采集电路中的不足，结合一般温室大棚的功能需求，提出了一种基于FPGA的多点温度采集系统，本系统采用HX-EP2C8-V5型FPGA开发板作为研发平台，以DS18B20作为温度传感器，利用FIR滤波器实现对采集信号的去噪处理，实现对温室大棚内多点温度采集，当测量温度超过设定范围时，可实现自动报警。文章详细分析了系统功能需求，结合QuartusII给出了温度定期及按键选择采集模块、DS18B20温度采集模块以及FIR滤波器的仿真结果。

温度采集，DS18B20，QuartusII，FIR 滤波器

温室大棚己经广泛应用在我国的农业生产领域中，特别是我国北方，寒冷季节时间较长，不适宜农作物的种植和生长，通过搭建温室大棚，提高大棚内的环境温度，为农作物的良好生长和提高作物产量提供必要保证。我国作为一个农业生产大国，温室大棚在农业生产过程中有着十分重要的作用[1]。温度作为作物生长一个非常重要的参数，温度的变化影响作物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟等等。对于不同的作物，其适宜生长的温度不同；对于同一作物，在不同的长成时期对温度的要求也不相同。因此，我们必须实时获取作物生长的环境温度。对超过作物生长适宜范围的温度能够报警。另一方面，由于作物分布空间的狭小，各点的温度在同一时间上可能存在差异，所以对于温室必须采取多点采集，以保证能够更准确的获知作物生长的实时温度[2]。

传统的温度采集，是利用温度计进行人工测量，随着嵌入技术的不断发展与应用，越来越多人开始将其应用到温度的采集中去，文献[3]中，作者提出一种以EPF10K10LC844为主控器，采用AD590作为温度传感器、辅之以高质量数据放大器，实现高精度温度测量的多路温度采集系统。该系统采用模拟温度传感器，在数据处理过程中，必需设计信号调理电路，增加了设计难度，而且系统采用ADC0809实现A/D转换，其精度只能达到0.4%左右，会带来较大的测量误差。张姗姗[4]在2012年提出一种基于单片机的温度采集控制系统，系统以AT89C52为控制核心，以数字式温度传感器DS18B20作为温度检测元件。实现了温度的采集与报警功能，受单片机引脚的限制，系统扩展难度较大，难以实现多点温度的采集与控制。

针对以上设计方案中的不足，结合一般温室大棚的功能需求，提出了一种基于FPGA的多点温度采集系统，本系统以采用EP3C25Q240C8为主控制器，以DS18B20作为温度传感器，利用FIR滤波器实现对采集信号的处理，提高测量准确度，实现对温室大棚内多点温度采集功能。

1 系统功能需求与总体方案

1.1 系统的基本设计要求如下:

1 )能够测量温室大棚的温度情况。当现场采样的温度超出预先设定的上下限值时，再由工作人员对环境调节设备进行操作。

2 )具有温度设定和温度显示功能。利用键盘输入设备设定现场环境的温度的上下限值：使用LCD设备用来显示当前时间和温度。

3 )具有温度报警功能，当测量温度超过设定温度范围时，自动报警。

4 )系统的性能指标如下:

①温度测量范围：0～70℃，测量精度士0.5℃;

②测量点的个数：8个;

③能够实时显示要观测点的温度情况，并且能够保存及回放历史记录；能够设定测量点的巡测速度。

④系统要有可扩展性，能够根据需要可方便的扩展湿度，二氧化碳浓度等物理量。

1.2 总体方案

根据设计性能要求，提出一种如图1所示的总体设计方案，本系统以FPGA为主控制器，采用DS18B20为节点温度传感器，MCD12864为温度显示模块，外加蜂鸣器报警、RS232数据传输模块以及键盘输入模块等外围电路构成。温度采集电路将采集到的信号，以1-wire通信的方式通过I/O口输入到主控器FPGA内，经内嵌FIR滤波器处理后，由LCD显示模块显示当前温度，并在CPU中实现测量温度与设定温度之间的比较，若超出设定范围，便由报警电路出发报警声音。同时由RS485将信号传输到上位机，可实现多点温度的远程监测。由于FPGA的I/O口较多，只要在数据采集部分，外接湿度，二氧化碳浓度等物量传感器，便可实现对湿度，二氧化碳浓度的采集与监控的功能，系统具有良好的可扩展性。

图1 系统总体方框图Fig.1 Structure diagram of system

2 系统硬件电路设计

硬件电路是温度采集系统工作的基础，其设计的好坏，将直接影响到系统功能的实现[5]。本系统硬件主要由FPGA最小系统电路、温度采集电路、LCD显示电路、温度报警电路与RS232通信电路组成。为节省开发时间，保证硬件系统性能稳定性，本系统采用HX-EP2C8-V5型FPGA开发板作为研发平台，该学习板以 为核心，实物图如图所示，在本设计运用128*64点阵式LCD接口，蜂鸣器，RS-232串口，4个按键开关，外加8个I/O口与8路温度采集传感器电路相接，即可实现系统硬件电路的要求。其中4个按键的功能见表1。

表1 键盘按键功能表Tab.1 Keyboard menu

图2 系统硬件平台实物图Fig.2 Physical map of system hardware platform

3 系统软件设计及FPGA实现

系统软件设计采用模块程序设计。采用自顶向下的程序设计[6]。外部设备可以直接与FPGA直接连接，这样既便于系统模块化，也可提高程序效率。系统的软件设计应充分考虑到软件抗干扰措施。在主模块中的主要程序是温度检测程序，其软件流程如图3所示。

图3 系统控制流程图Fig.3 Flow chart of system

3.1 温度定期及按键选择采集模块设计与仿真

该模块是实现对八路温度信号定时循环选择采集，CLK为定时信号的输入，UP/DWON为按键选择输入信号，ena为控制IO端口temp[7..0]使能端，dp为从某一路采集端口的输入输出端，temp[7..0]为八路温度采集端口。通过使能端ena实现对八路DS18B20的读写选择。当有选键按下时通过对按键计数最后实现八路信号的选择直到最后退出。 为温度报警输出使能端当有采集的温度数据值超过设置的上下限温度时则选键和定期采集无效只采集当前路数温度数据直到报警解除。当deep输入端口输入有效信号时cnt[3..0]表示当前路数的温数值已超过设定的温度值并实时采集当前报警路数的温度直到deep为电平报警解除温度回到设定值之内然后启动定时循环采集八路温，当有按键选择选择按键选中的路数进行温度采集，其仿真结果如图4所示。

图4 温度定期及选择采集模块仿真图Fig.4 Simulation diagram of temperature acquisition module about regular and select

3.2 DS18B20温度采集模块设计与仿真

该模块为DS18B20数据采集，CLK为温度采集时序控制输入端，temp[15..0]采集数据输出端，dp为对 DS18B20数据读写端。通过CLK的输入时序信号dp端口实现对DS18B20数据的的读写以及对采集的数据实现相应的数据转换,把采集的数据从temp[15..0]输出到LED模块。ena为控制八路温度某一路的输入输出信号。当对DS18B20读数据时输出高电平，对其写数据时输出低电平。如图5所示，图中dp的前八个脉冲为对DS18B20的初始化操作，从第九个脉冲即开始对DS18B20进行数据采集，采集的数据FF0A数值转换成相应的温度值为15.4度。

图5 DS18B20温度采集仿真图Fig.5 Simulation diagram of temperature acquisition based on DS18B20

3.3 FIR滤波器的FPGA实现

本系统采用数字滤波器FIR[7]实现对温度的滤波。Altera提供的FIR Complier是一个结合Altera FPGA器件的FIR Filter Core，DSP Builder与 FIR Compiler可以紧密结合起来。DSP Builder提供了一个FIR Core的应用环境和仿真验证环境。图6为FIR滤波器编译电路图。在QuartusII中打开编译后生成的fir.qpf工程文件，就可以得到滤波器的VHDL语言。

图6 FIR滤波器编译电路图Fig.6 FIR filter compiler diagram

最后，建立系统顶层原理图文件，把上述各部分所生的symbol在QuartusII7.2提供的BlockDiagram/SchematicFile中用Graphic Editor编辑连接起来，完成总的系统方框图如下图 所示，其中 滤波功能在主控制器 模块中实现，CLK_Div模块实现对主时钟频率的分频，即可完成整个系统的设计。

图7 系统顶层原理图Fig.7 System top-level schematic

4 结束语

本设计使用DS18B20数字化温度传感器，实现多路温度采集功能，简化了硬件系统，减少了使用模拟传感器要进行信号调理A/D转换等工作如果要进行长距离测温，还可以使用总线提供电源的方式省去一根电源线。

在今后的研究中，利用FPGA多I/O口的特点，在输入端接上如湿度、二氧化碳浓度等物量传感器，便可实现对湿度，二氧化碳浓度的采集与监控的功能；另外，通过RS232通信接器，将系统采集的到信号传送到上位机，可实现大棚温室的远程监控，可推动联网技术在农业上的应用。

[l]郑文刚，赵春江，王纪华.温室智能控制的研究进展[J].农业网络信息，2004(2):8-11.

ZHENG Wen-gang,ZHAO Chun-jiang,WANG Ji-hua.Research Summary on Intelligent Control of Greenhouse[J].Agriculture Network Information，2004(2):8-11.

[2]冉伟刚.温度大棚数据采集系统[D].兰州：兰州大学，2010.

[3]鲁 玲，刘大年，于海东.基于FPGA的高精度多路温度采集器[J].电气自动化，2006，28（2）：135-137.

LU Ling,LIU Da-nian,YU Hai-dong.High accuracy data acquisition module for multi-channel temperature signals based on FPGA[J].Electrical Automation,2006，28（2）：135-137.

[4]张姗姗.基于单片机的温度采集控制系统设计[J].信息通信，2012（6）：69-70.

ZHANG Shan-shan.Design of temperature acquisition and control based on MSC [J].Information&Communications,2012（6）：69-70.

[5]韩泽远，张宁，闫陶.基于单片机的一种嵌入式温度采集实时控制系统设计研究[J]计算机科学，201210(39):：39-41.

HAN Ze-yuan,ZHANG Ning,YAN Tao.Design and research on real-time control system of an embedded temperature acquisition based on SCM [J].Computer Science，201210(39）:39-41.

[6]胡紫英，谭立志，周维龙.基于FPGA的智能温度变送器的设计[J].微计算机信息，2010(26):137-139.

HU Zi-ying,TAN Li-zhi,ZHOU Wei-long.The design of intelligent temperature transmitter based on FPGA[J].Microcomputer Information,2010(26):137-139.

[7]胡同花，周维龙.基于FPGA的OFDM调制器设计与实现[J]电子设计工程，2011,15(19):139-144.

HU-Tonghua,ZHOU-Weilong.Design and Realization of OFDM modulation based on FPGA technique[J]Electronic Design Engineering,2011,15（19）:139-144.

Design and implementation of multi-point temperature acquisition system of the greenhouse

HU Tong-hua1，ZHOU Wei-long2
（1.Yongzhou Vocational Technical College，Yongzhou 425100,China;2.College of Electronic and Information Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412008,China）

In view of the lack of temperature acquisition circuitry,and combined with the general functional requirements of greenhouses.This paper presents a multi-point temperature acquisition system based on FPGA.The system achieve multi-point temperature acquisition of the greenhouse and alarm automatically when the measured temperature exceeds the set range,which with HX-EP2C8-V5 FPGA development board as the platform,and DS18B20 as the temperature sensor,and FIR filter as the signal denoising.The article detailed analysis the functional requirements of the system,and show the simulation results of select the temperature acquisition module,DS18B20 temperature acquisition module and the FIR filter with QuartusII.

temperature acquisition；DS18B20；QuartusII；FIR filter

TP273

A

1674-6236（2014）13-0087-04

2013-10-20 稿件编号：201310128

永州市科技计划项目（永财企指【2013】3号）

胡同花(1982—),女,湖南永州人，讲师。研究方向：计算机网络。