基于FSK电力载波的温室大棚数据通信与监控技术研究

2017-10-12裴梦瑶刘学君袁碧贤

电子设计工程 2017年19期

关键词：PC机温湿度串口

晏涌，裴梦瑶，刘学君，鲁莹，袁碧贤

（北京石油化工学院北京 102617）

基于FSK电力载波的温室大棚数据通信与监控技术研究

晏涌，裴梦瑶，刘学君，鲁莹，袁碧贤

（北京石油化工学院北京 102617）

为了调节适合蔬菜、水果生长的温室大棚温度、湿度以及二氧化碳含量等环境参数，设计开发了基于电力线通信的环境参数监控系统。将每个温室大棚设为分节点，通过STM32芯片采集各个物理量参数后，再通过FSK调制信号使用供电线路上传送给总节点后，232串口通信传输到PC机，实现了对温室大棚的实时监控。该系统硬件由电力载波模块、STM32、MX232、DHT11温湿度传感器等组成，实验结果表明，系统可以实现多个点的数据传输，运行可靠。

电力载波；温室大棚；FSK；串口通信

Abstract:In order to regulate the environment parameters such as temperature，humidity and carbon dioxide content，the environmental parameters monitoring system based on power line communication is designed and developed.The various greenhouse are divided into nodes，various physical parameters are collected through STM32 chip，and then the parameters is transmitted to the total node through the power supply line by using the FSK modulation signal，at last it is transmitted to the PC machine through 232 serial communication to realize the real-time monitoring of the greenhouse.The hardware of the system is composed of power carrier module， STM32， MX232，DHT11 temperature and humidity sensors and so on.The experimental results show that the system is reliable.

Key words:power carrier；greenhouse；frequency-shift keying；serial communication

我国是一个农业大国，温室大棚面积占世界第一，但对温室环境因子调控的不完善，限制了温室高效化优势的发挥，造成温室栽培的智能化程度非常低[1-2]。

因此，为了实现高效农业生产的智能化程度，我们需要研发出成本低、易操作、便于维护的智能监控系统，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内的环境有利于蔬菜、水果生长，以达到低投入、高产出、高回报的效果[3]。

本次研究项目主要是采用了一种网格化自动监测的方案，在蔬菜大棚中装置一定量、多个电力载波调制解调及节点监控模块，通过各种特定的传感器对大棚中各项指标进行检测，并通过串口将数据传输到PC端，通过系统自动比对PC端采集数据和设定值，可以判断蔬菜大棚中的环境状态。单片机控制继电器、通风电机、开帘、闭帘电机等装置运行，自动完成大棚中环境参数的闭环控制。

1 总体结构设计

电力载波部分由多个ARM控制的KQ-330电力载波调制解调模块组成，各个节点监控模块采集到的数据传输到总调制解调模块，最终经过串口回到上位PC端，以此实现了PC端与蔬菜大棚中的各分节点监控平台通信与数据传输。

节点监控模块的主控制板采用STM32单片机作为处理器，是整个系统的核心，负责控制其它各个端口。节点采集模块由两大部分组成：①与ARM连接的各种传感器，负责采集土壤状况、温湿度、光照强度、雨量大小以及二氧化碳浓度。②与ARM连接的执行机构：加热继电器、通风、开帘电动机、闭帘电动机等。系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

2.1 FSK电力载波通讯模块

低压电力线载波通信是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，来实现数据信息的传递和交换的一种通信技术[4-5]。它最大的优点是可以利用已建成的低压配电网，而不必建设新的通信网络，具有覆盖范围广和连接方便等特点[6-8]。

该系统通过电力载波通讯模块以低压电线作为信号（数据）传输的媒介，并采用FSK调制方式。

2.1.1 电力线通信技术

此系统的电力通信模块调制采用FSK（Frequency-shift keying）频移键控调制方式，它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率来传递信息的一种数字调制技术。

2FSK通信技术的工作原理是通过载波频率来传送数字消息的，即用所传送的数字消息对载波频率进行控制。数字调频原理上也可通过模拟调频法实现，它有两种调制方法：1）利用矩形脉冲序列对一个载波进行调频，它是FSK早期采用的方法。2）在二进制基带矩形脉冲序列控制下，通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是抗干扰和抗衰落的性能强且易于实现，所以应用广泛[9-12]。

2.1.2 载波模块引脚说明

KQ330载波模块引脚如图2所示。

图2 载波模块引脚说明

2.1.3 电力载波数据收发模块

电力载波数据收发模块内部结构框图，如图3所示。

图3 电力载波数据收发模块内部结构框图

具体收发过程：单片机将信号输出，中间经过滤波、放大将信号耦合到220 V电力线中，经过电力线传送另一端又将信号再次滤波后输入到载波模块，经过载波模块解调，最终得到传输信号。反之，完成接受数据。

2.2 温湿度传感器

DHT11是含有已校准数字信号输出的数字温湿度复合传感器。DHT11传感器包含一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件[13-14]，与高性能8位单片机相连接。由于DHT11体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、性价比高，所以该系统选择DHT11进行温湿度采集。

2.3 MX232

该系统中单片机与上位PC机需要进行串口通信，但是单片机采用TTL电平标准，而PC机采用RS－232标准的串行接口标准，因此要实现电平匹配，需要在两者之间接一个电平转换芯片[15]。美信公司MAX232芯片就是专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5 V单电源供电。

2.4 ARM

载波通讯控制的核心器件采用STM32F103ZE，它是意法半导体公司生产的基于Cortex-M3的32位微处理器，最高工作频率72 MHz，片内Flash容量512kByte，片内SRAM容量64kByte；具有高性能、低功耗、丰富的片内资源等特点。STM32提供了睡眠、待机、停机3种低功耗省电模式和灵活的时钟控制模式，用户可合理优化系统[16]。

3 软件的设计

3.1 串行异步通讯协议设计

总节点通过串口上传PC机的数据协议采用232，波特率：115 200，数据位：8，停止位：1 位，校验位：0位。每一帧数据总长度25个字节，如表1所示。

表1 总节点通过串口上传PC机的数据协议

PC机串口下传控制指令到总节点数据协议总长度 22字节，如表2所示。

表2 PC机串口下传控制指令到总节点数据协议

PC机对总节点数据请求协议，如表3所示。总长度10个字节，0-1字节为开始符，2-3字节为IP地址位，4-5字节为命令类型，6为请求命令，7字节为校验码是模256求和，协议8-9字节为结束符。

表3 上位机对下位机数据请求协议

3.2 串口通信软件设计

总节点的串口通信流程是当系统启动时，先进行初始化，然后判断PC机是否下发控制指令，若是则下发到对应的子节点，若否或已下发完控制指令则发送第n个子节点请求数据指令，判断地址是否匹配，如果否，则回到上一级判断指令，如果是总节点进入接收数据的状态，之后判断是否接收到子节点串口数据，如果否，则继续返回判断，如果是，则接收子节点串口数据，并判断接收是否结束，如果否，则返回判断是否接收到子节点串口数据，如果是，则给PC机上传监测数据，子节点编号加1，回到程序的大循环起点，判断是否有PC机下发的控制指令，如图 4（a）所示。

子节点的串口通信流程是当系统启动时，先进行初始化，然后一直进行数据采集，判断是否有控制指令，如果是，则控制执行机构执行动作，然后判断是否收到主节点的发送数据请求；如果否，直接判断是否收到主节点的发送数据请求，如果是，则上传该子节点数据，如果否，则返回程序起点，如图4（b）所示。

3.3 DHT11温湿度采集

DHT11与CPU之间的通信采用单总线数据格式。空闲时总线为高电平，需要读取DHT11测量数据时，主机（MCU）拉低18 ms等待DH11响应，延时等待 20～40 μs ，DHT11 发送 80 μs左右的低电平响应信号，待主机读取DH11响应信号后，DHT11再拉高总线80 μs左右，准备数据传送，每次通信都是高位先出的顺序传输40位数据（包括16 bit湿度数据+16 bit温度数据+8 bit校验和），等数据传送完毕，DHT11拉低总线50 μs，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态[17]。