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温室土壤温湿度无线信息采集与监控系统的总体设计方案

来源：　类别：技术文章　更新时间：2012-10-11　阅读次

为达到节能环保的设计要求本系统设计采用太阳能供电,数据传输采用无线方式,这种方式可以不用在温室中大量布线,也便于下位机模块的一体化安装使用等。整个温室土壤温湿度无线信息采集与监控系统系统设计分为下位机和上位机2个部分。其中下位机负责温湿度的采集、显示、无线上传以及对电磁阀和通风电机的控制;上位机担负数据的接收记录以及温湿度变化的曲线显示任务同时也可以向下位机无线传输控制参数。系统构成如图2一1所示。

图2-1 系统整体结构框图
2.1温室土壤温湿度无线信息采集与监控系统的设计要求
(l)土壤温湿度记录仪采用无线方式对土壤温湿度数据进行传输。传输距离要远,且抗千扰能力要强。
(2)采用高精度高防护等级温湿度数字传感器,精确及时对土壤温湿度测量和控制,系统要便于安装方便,维护简单。
(3)软件设计思路清晰,采用�？榛杓品桨�,充分利用系统硬件资源,便于系统的软件升级和维护。
(4)上位机及时记录温湿度数据并曲线显示温湿度的变化,通过上位机可以对温湿度控制参数进行设置。
2.2系统设计思路和方案
     总的设计思路是:从温室种植的实际需求出发,根据种植作物布局,选择合适的传感器、温度测量模块、数据传输方式、上位机等,根据温室己有的管网布局和管线的规格,确定具体温湿度传感器的个数以及电磁阀的个数,实现一个温室土壤温湿度的自动检测和控制。这个系统可以分为上位机和下位机两个部分:其中下位机由温湿度采集�？�,主控模块,无线通讯�？�,显示�？�,电源�？榈炔糠肿槌�;而上位机包括无线�？�,串口通讯�？�,温湿度曲线显示模块以及数据存储�？榈取Ｕ鲇布低吃谄骷难≡裆现饕褪嵌詍cu的选择,温湿度传感器的选择以及无线通一讯�？榈难≡�；上位机的软件开发一般开发工具如VB,VC,VFP以及Delphi均可以实现上位机要完成的功能。
2.2.1温湿度传感器的选择
     近几年,温湿度传感器的设计技术有了很大的突破。温湿度传感器正从单一的温敏和湿敏元件向智能化,集成化,多参数测量方向迅猛发展,这都为新一代的温湿度测控系统的开发研制提供了便利条件。在使用传统的温敏或湿敏元件进行温湿度的测量时,要附加大量的放大和滤波电路,对于电路的设计非常复杂,由于大都呈非线性输出,应用时对技术的要求也非常高,借助新一代的集成温湿度传感器可以大大精简了电路设计,且测量的准确性可靠性更高。新一代的集成温湿度传感器有电压输出型或者频率输出型的,如HUM1500,HUM1520,HF3223等。它们在应用时也要附加AD或脉宽测试电路,应用仍然较为复杂。为此我们选择了最新的完全数字化的集成温湿度传感器DB170。DB170采用世界先进的温湿度传感器为核心部件,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器内部包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的刀D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此,该产品具有品质卓越!高防护等级、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定,校准系数以程序形式储存在OTP内存中,在标定的过程中使用。传感器在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。两线制的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极高的防护性能、极低的功耗,使DB170系列成为各类应用的首选=7了。
2.2.2无线�？榈难≡�
     进入21世纪以来,无线通讯技术有了突飞猛进的发展,包括各种无线模块的设计制作功耗以及所采用的调频纠错频段等技术。目前应用于无线数据传输的技术非常多,如红外技术,蓝牙技术,好技术,GPRS,CDMA等等。
(l)红外通讯技术(IrnA)
     红外通讯就是利用红外线进行数据的传输,是无线通讯技术的一种。红外通讯技术不需要实体连线,简单易用且实现成本较低,因而广泛应用于小型移动设备互换数据和电器设备的控制中,例如笔记本电脑、PDA、移动电话之间或与电脑之间进行数据交换,电视机、空调器的遥控等,这种技术很早就出现的各种的日常应用之中。为了建立统一的红外数据通讯标准1993年成立了红外数据协会(frDA,hifraredDataAssoeiation),1994年发表了IrDA1.0规范。但由于红外线的直射特性,只能进行视距传输,有效距离近,且两台红外通讯设备必须对准,特别不适合传输障碍较多的地方。由于其传输距离近抗干扰能力差穿透力差因此不适合应用在本系统设计中。
(2)蓝牙技术(Bluetooth)
     蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般IOm内)的无线电技术。能在包括手机!PDA!无线耳麦!笔记本电脑!相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用/蓝牙0技术,能够大大有效的简化移动通信终端设备间的通信,也能够成功地简化设备与因特网Intemet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽通路"蓝牙采用分散式网络拓扑结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHzISM(hidustrialseienti6cMe由eal)(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为IMbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术虽然具有很多的优点如技术开放设备兼容采用公用通讯频段,但是其无线传输距离仅限于10m左右,是其一个致命的弱点,也不适合应用在温室大棚无线温湿度信息采集中。
(3)IEEE8o2.llb(Wi一Fi)
     Wi一Fi(wirelessFidelity,无线相容性认证)俗称无线宽带,其实就是IEEE802.llb的别称,是由一个名为/无线以太网相容联盟,,(WirelessEthemetcomPatibilltyAlliance,WECA)的组织所发布的业界术语,中文译为/无线相容认证0。它与蓝牙一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术,能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。虽然在数据安全性方面,该技术比蓝牙技术要差一些,但是在电波的覆盖范围方面则要略胜一筹。Wi一Fi的覆盖范围则可达90米左右,办公室自不用说,就是在小一点的整栋大楼中也可使用。因此,Wi一Fi一直是企业实现自己无线局域网所青睐的技术。虽然它具有覆盖范围广,兼容性广,但是其高成本高技术要求使得这一技术在一般的无线传输应用中难以选择。
(4)微功率短距离无线通讯技术
     近几年来,微功率短距离的无线射频�？樯杓坪椭谱骷际跤辛撕艽蠼�;通常一个无线射频模块的主要电路都集成在一个芯片中,外围附件电路很少,且�？榈奶寤〗涌谥掷嘟隙郩ART,SPI,USB等。这种�？橐话悴捎肍SK调制方式工作于SIM频段采用透明的方式进行数据的传输,用户一般只要进行简单的配置,就可以直接把它们应用的自己的系统设计中。
综合以上论述,考虑到成本和实际需求,我们选择了采用微功率短距离无线通讯技术的芯片。
目前市面上常用的灯无线�？榉浅６�:如CC1000、nRF401、nRf903、nRF905、TH72oll、APC220一43等。结合他们各自的工作特性以及系统设计的实际需要如无线传输距离、功耗、接口类型、编程控制的复杂性等,我们选择了APC220无线模块。
     APC220一43�？槭歉叨燃砂胨の⒐β饰尴呤荽淠？�,其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环交织纠检错编码,抗干扰和灵敏度都大大提高,最大可以纠24bits连续突发错误,达到业内的领先水平。PC22o一43模块提供了多个频道的选择,可在线修改串口速率,发射功率,射频速率等各种参数。APC22O一43模块能够透明传输任何大小的数据,而用户无须编写复杂的设置与传输程序,同时小体积宽电压运行,较远传输距离,丰富便捷的软件编程设置功能,使之能够应用与非常广泛的领域。APC220一43�？槭切乱淮亩嗤ǖ狼度胧轿尴呤？�,其可设置众多的频道,步进精度为IKhZ,发射功率高达20mw,而仍然具有较低的功耗,体积37.smlnx18.3Inlnx7.OInln,非常方便客户嵌入系统之内。APC220一43编码增益高达近3dBm,纠错能力和编码效率均达到业内的领先水平,远远高与一般的前向纠错编码,抗突发干扰和灵敏度都较大的改善。同时编码也包含可靠检错能力,能够自动滤除错误及虚假信息,真正实现了透明的连接。所以妙c22o一43�？樘乇鹗屎嫌朐诠ひ盗煊虻惹扛扇诺亩窳踊肪持惺褂�"综合考虑以上因素,在众多的无线舒�？橹形颐茄≡窳薃PC220。
2.3键盘和显示电路的选择
     考虑到整个应用系统的工作环境特别是对亮度的要求等因素我们选择了数码管进行温湿度数据的显示。多位数码管显示技术有静态显示和动态扫描两种方式,如采用静态显示方式一般占用Mcu的脚管特多,但显示质量高;采用动态扫描方式占用的Mcu脚管少,但是编程控制过程较为复杂。综合考虑系统对数码显示质量的要求,我们选择了7415164用于串并转换输出字形,采用7415138芯片用于选择数码管的这一串行动态扫描方式"该方式能最大限度的节省Mcu的10口,只需要2个口线连接74LS164分别输出时钟和字形,用3个口线作为74LS138的地址线,用其4低电平输出端分别选择4个数码管即可完成显示电路的搭建,同时该电路也为系统扩展预留了接口。由于在上位机中可以采用无线的方式对下位机进行工作参数的传递,没有必要在下位机中进行设定参数,虽然在下位机中设置了4个按键,其作用也不大,但是可以用来将来对系统功能的扩充。
2.4控制�？榈难≡�
     能用做Mcu的控制�？橹掷嘟隙�,如ARM,DSP,MCS系列单片机等。但是它们都有着自己的特点和专门的应用领域。如DSP主要应用于复杂的数字信号处理,ARM主要应用于一些高级的嵌入式应用;而单片机由于具有开发容易上手,接口丰富、位控制能力强、可靠性高的特点。非常适用于应用在处理速度要求不高,系统中没有复杂运算处理的场合。结合本系统对控制器的系能要求,最终选择了完全与常用的messl系列单片机兼容的STCI1F32单片机。之所以没有选择dsP,主要考虑到dsP主要应用于高速的数据处理以及复杂的算法处理中:而STCllF32单片机已经足以满足在这个对处理响应速度要求不高的应用系统中。在单片机能满足系统对数据处理速度和响应速度要求的情况下,首选的数据处理单元肯定是单片机。