蔬菜大棚分布式多点温度监控系统的设计

冯荣华，王　强，叶大鹏，谢艺鑫

(福建农林大学 机电工程学院，福建 福州　350002)



蔬菜大棚分布式多点温度监控系统的设计

冯荣华，王强，叶大鹏，谢艺鑫

(福建农林大学 机电工程学院，福建 福州350002)

针对蔬菜大棚的管理效率低、管理费用高等问题，设计了分布式多点温度智能监控系统。本系统有效结合无线通信技术、传感器技术、上位机技术，实现了蔬菜大棚温度参数进行多点全方位采集，且具有温度超过阈值、电压不足时自动报警的功能。经过实验表明，该系统工作稳定、监测实时性强、检测精度高(可达到97.55%)，可适用于蔬菜大棚中的环境参数监测。

蔬菜大棚；分布式多点；监控系统

随着社会经济的不断发展，生活水平的不断提高，人们对蔬菜的需求量也不断增长，因而促进了蔬菜温室大棚的发展。[1]温室大棚在培育农作物具有受外界环境干扰小、适用范围广和抗灾能力强等特点，[2]但是农作物的生长期间，温室大棚中温度参数直接影响蔬菜产量，[3-5]所以对温室大棚管理过程中的对温度参数的实时监控是很有必要的。传统的蔬菜大棚管理中，温度参数的监测主要靠人工来进行监测，人工监测存在很多不足，如监测实时性差，检测设备昂贵，检测的范围不够全面。[6]

基于这些基本思想，本文设计了一种蔬菜大棚中远程智能监控系统。主要是利用单片机作为系统核心控制器，DS18B20作为检测温度的传感器并利用其单总线数据通信协议的优势实现单线多点温度采集，液晶显示屏将采集的数据进行显示，无线射频收发模块作为无线通信实现温室中分布式多点数据采集，RS485作为上、下位机通信的桥梁。系统的上位机是利用Qt软件实现的，能够将采集的数据进行显示、处理、存储以及温度超过阈值时进行报警等功能。大量实验证明，该系统工作能够实现对温室大棚的环境参数进行全方位的监测，而且操作方便、监测实时性好、工作稳定、性价比高、可扩展性强。该系统可适用于农业环境监测当中，提高了能农业管理的智能化和现代。

1系统总体设计

本系统包括上位机和下位机两个部分，系统的结构总框图(如图1所示)，其中下位机主要采集环境的温度参数采集、节点电压采集和数据的显示功能。温度参数的采集过程中采用单总线DS18B20传感器进行组网实现，即一条信号线上连接多个传感器，节约了单片机的I/O资源，提高环境采集数据的准确性；利用无线射频收发模块组成无线传感器网络，克服了传统蔬菜大棚中数据通信只采用有线的方式进行传送的局限性，能够实现全方位多点温度参数检测。上位机是由QT软件编程实现，主要负责将下位机传送的数据进显示、设定正常温度的阈值，历史数据的存储、查询和比较等功能。

图1　系统的结构总框图

2系统硬件设计

本系统设计过程单片机控制器采用的是增强型51单片机STC12C5A60S2，其外围电路的设计主要包括电源模块、温度传感器网络模块、无线射频收发模块、报警模块和RS485通信模块。

2.1电源模块设计。

系统电源设计的优劣直接影响系统的工作稳定性，本系统所用到的电源有直流电压3.3V和5V，其中3.3V主要是给无线射频收发模块供电，5V电压是给单片机，显示模块等供电。基于这些要求，电源分别采用LM7805和LM1117-3.3低压差三端稳压芯片将电压稳定在5V和3.3V，该电源模块输出电压稳定、抗干扰能力强，且开发费用便宜。系统电源模块硬件设计原理图(如图2所示)。

图2　系统稳压电压模块

2.2具体设计。

2.2.1温度传感器网络设计。

本系统采用美国DALLAS推出的全新数字式DS18B20温度传感器，每一个传感器出厂时带有唯一标识的序列号，进行温度读取的时候要先读取其序列号。该传感器采用“单总线”的通信协议与单片机之间进行通信，可以实现单线多点组网功能，仅仅利用单片机的一个I/O口就能够读取多个传感器的温度值，同时可传送CRC校验码，具有很强的抗干扰能力。该传感器采集温度的范围广，温度范围为-55°C到+125°C，在-10°C到85°C时采集精度为0.5度，[7-8]本文利用DS18B20测温的过程中采用单线多点组网的方式进行实现，其传感器网络硬件连接图(如图3所示)。

图3　单总线传感器网络连接图

2.2.2无线射频收发模块设计。

本文无线通信模块采用的nRF24L01无线射频收发模块，它是挪威Nordic公司出品的一款高速、低功耗、低成本无线模块。该无线收发芯片，工作于2.4GHz～2.5GHz全球免费的(ISM)频率。该模块与单片机之间通过3线SPI接口进行双向通信，其发射功率和工作频率等工作参数可以很容易通过SPI端口完成。它具有极低的电流消耗，在-5dBm的输出功率时仅为10.5mA，在接收模式时仅为18mA,适用于农业信息采集低功耗的应用。它与单片机之间的硬件连接图(如图4所示)。

图4　无线射频模块

2.2.3 RS485通讯模块设计。

本系统设计过程当中下位机与上位机的通信利用RS485模块进行。RS485通信操作过程和RS232类似，但是相比较而言RS485具有诸多有点，它在数据传送过程中，抗干扰能力强、传送距离远理论上最长距离可以达到1200米，而且方便进行组网。[9]然而PC机只带有RS232接口，本系统在设计的过程中通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号实现与下位机的通信。RS232与RS485串口电平转换连接图(如图5所示)。

图5　RS485电平转换部分原理图

3软件设计

3.1主节点程序框架(如图6所示)。

图6　系统软件流程图

3.2数据滑动平均处理。

本系统数据处理过程采用滑动平均的方式进行可以增加数据的可靠性和稳定性，其软件流程图(如图7所示)。

图7　滑动平均程序流程图

3.3 RS485通信模块设计。

上位机和下位机之间采用RS485串口通信，其成宿流程图(如图8所示)。

图8　串口程序流程图

3.4上位机程序设计。

本系统采用c++语言基于Qt Creator软件编写上位机软件。上位机软件能够实时的和下位机软件之间进行通信，并且将指定传感器的温度值显示在上位机所对应的指定位置。Qt Creator是一款强大制作上位机的软件，它能够在windows平台上很简单的开发出界面美观的上位机。系统中用到了串口方面的类有win_qextserialpo和qextserialbase这两个类，然后自己封装了一个读取串口的函数，通过信号与槽机制触发上位机接收来自下位机的数据。本系统设计的上位机界面(如图9所示)。

图9　上位机界面

4试验分析与结论

4.1数据的校验。

在传感器检测领域当中，数据检测精度的高低，直接影响了整个系统的稳定性。本系统采用高精度水银温度度计，对检测的数据进行校验。无线传感器节点每20分钟进行一次数据采集，经过6个小时的校验，检测的误差小于2.45%,结果(如图10所示)。

图10　数据校验图

4.2系统的性能测试图。

本系统性能测试过程中，让传感器节点每20分钟进行一次数据的采集。(如图11所示)分别采集节点1，节点2，节点3这三个节点上单总线传感器网络中各传感器采集数据的平均值。

图11　节点的性能测试图

5结论

本文设计了一套面向蔬菜温室大棚的温度监控系统，系统主要由上位机和下位机组成，实现了对大棚温度全方位的检测。经实验表明，该系统工作稳定、检测精度高(可以达到97.55%)、开发成本低。本系统也可在类似的农业信息采集方面进行推广，增加了各类传感器对环境各项参数的采集，结合互联网技术实现远程监控。

[1]梁万用,谢泽会,王延峰. 基于ZigBee的蔬菜大棚监控系统设计[J].安徽农业科学,2009(25):12187-12188+12190.

[2]韩力英,杨宜菩,王杨,唐红梅,牛新环. 基于单片机的温室大棚智能监控系统设计[J].中国农机化学报,2016(1):65-68+72.

[3]刘海洋,王慧,陈智,宣传忠. 温室环境信息实时监测与控制系统的设计[J].农机化研究,2014(4):65-69.

[4]刘力,鲍安红,曹树星,胡秀芝. 温室大棚内环境自动化控制方案设计[J].农机化研究,2013(1):90-93.

[5]孔国利,席红旗. 蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统[J]. 农机化研究,2015(8):184-188.

[6]李耀,许朋,刘木华,洪茜,彭义杰,赵进辉. 大棚中无线远程监控系统的设计[J]. 中国农机化学报,2016(2):85-87+92.

[7]汤锴杰,栗灿,王迪,张琴. 基于DS18B20的数字式温度采集报警系统设计[J]. 传感器与微系统,2014(3):99-102.

[8]陈彩蓉,胡飞. 基于DS18B20的温室温度控制系统设计[J]. 安徽农业科学,2009(36):7870-7871+7901.

[9]卢嫚. 基于RS-485总线的温室多点监测系统设计与实现[D].西北农林科技大学,2013.

Class No.:TP274Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

Design of Distributed Multi-point Temperature Monitoring System in Vegetable Greenhouses

Feng Ronghua,Wang Qiang,Ye Dapeng,Xie Yixin

(School of Mechanical& Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002，China)

Considering problems of low management efficiency and high administration cost in vegetable greenhouse, a distributed multi-point temperature intelligent monitoring system was designed. This system could realize the goal of multi-point and comprehensive information acquisition, automatic alarm when temperature runs above the threshold or in low voltage state by combining the wireless communication technology with the sensor and upper monitor technology . The result shows that this system is suitable for the environment parameters monitoring in greenhouse with the features of stable operation, strong real-time performance and high inspection accuracy (97.55%).

vegetable greenhouses; distributed multi-point; monitoring system

冯荣华，在读硕士，福建农林大学机电工程学院。

叶大鹏，博士，教授，硕士生导师，福建农林大学机电工程学院。研究方向：环境监测与控制。

福建省科技重大专项(2014NZ0002-1 )；福建省高水平大学建设重点项目(612014017)。

1672-6758(2016)09-0050-4

TP274

A