溫室土壤溫濕度無線信息采集與監控系統的總體設計方案

      為達到節能環保的設計要求本系統設計采用太陽能供電,數據傳輸采用無線方式,這種方式可以不用在溫室中大量布線,也便于下位機模塊的一體化安裝使用等。整個溫室土壤溫濕度無線信息采集與監控系統系統設計分為下位機和上位機2個部分。其中下位機負責溫濕度的采集、顯示、無線上傳以及對電磁閥和通風電機的控制;上位機擔負數據的接收記錄以及溫濕度變化的曲線顯示任務同時也可以向下位機無線傳輸控制參數。系統構成如圖2一1所示。

2.1溫室土壤溫濕度無線信息采集與監控系統的設計要求
(l)土壤溫濕度記錄儀采用無線方式對土壤溫濕度數據進行傳輸。傳輸距離要遠,且抗千擾能力要強。
(2)采用高精度高防護等級溫濕度數字傳感器,精確及時對土壤溫濕度測量和控制,系統要便于安裝方便,維護簡單。
(3)軟件設計思路清晰,采用模塊化設計方案,充分利用系統硬件資源,便于系統的軟件升級和維護。
(4)上位機及時記錄溫濕度數據并曲線顯示溫濕度的變化,通過上位機可以對溫濕度控制參數進行設置。
2.2系統設計思路和方案
     總的設計思路是:從溫室種植的實際需求出發,根據種植作物布局,選擇合適的傳感器、溫度測量模塊、數據傳輸方式、上位機等,根據溫室己有的管網布局和管線的規格,確定具體溫濕度傳感器的個數以及電磁閥的個數,實現一個溫室土壤溫濕度的自動檢測和控制。這個系統可以分為上位機和下位機兩個部分:其中下位機由溫濕度采集模塊,主控模塊,無線通訊模塊,顯示模塊,電源模塊等部分組成;而上位機包括無線模塊,串口通訊模塊,溫濕度曲線顯示模塊以及數據存儲模塊等。整個硬件系統在器件的選擇上主要就是對mcu的選擇,溫濕度傳感器的選擇以及無線通一訊模塊的選擇；上位機的軟件開發一般開發工具如VB,VC,VFP以及Delphi均可以實現上位機要完成的功能。
2.2.1溫濕度傳感器的選擇
     近幾年,溫濕度傳感器的設計技術有了很大的突破。溫濕度傳感器正從單一的溫敏和濕敏元件向智能化,集成化,多參數測量方向迅猛發展,這都為新一代的溫濕度測控系統的開發研制提供了便利條件。在使用傳統的溫敏或濕敏元件進行溫濕度的測量時,要附加大量的放大和濾波電路,對于電路的設計非常復雜,由于大都呈非線性輸出,應用時對技術的要求也非常高,借助新一代的集成溫濕度傳感器可以大大精簡了電路設計,且測量的準確性可靠性更高。新一代的集成溫濕度傳感器有電壓輸出型或者頻率輸出型的,如HUM1500,HUM1520,HF3223等。它們在應用時也要附加AD或脈寬測試電路,應用仍然較為復雜。為此我們選擇了最新的完全數字化的集成溫濕度傳感器DB170。DB170采用世界先進的溫濕度傳感器為核心部件,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器內部包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件,并在同一芯片上,與14位的刀D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。因此,該產品具有品質卓越!高防護等級、超快響應、抗干擾能力強、極高的性價比等優點。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定,校準系數以程序形式儲存在OTP內存中,在標定的過程中使用。傳感器在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。兩線制的串行接口與內部的電壓調整,使外圍系統集成變得快速而簡單。微小的體積、極高的防護性能、極低的功耗,使DB170系列成為各類應用的首選=7了。
2.2.2無線模塊的選擇
     進入21世紀以來,無線通訊技術有了突飛猛進的發展,包括各種無線模塊的設計制作功耗以及所采用的調頻糾錯頻段等技術。目前應用于無線數據傳輸的技術非常多,如紅外技術,藍牙技術,好技術,GPRS,CDMA等等。
(l)紅外通訊技術(IrnA)
     紅外通訊就是利用紅外線進行數據的傳輸,是無線通訊技術的一種。紅外通訊技術不需要實體連線,簡單易用且實現成本較低,因而廣泛應用于小型移動設備互換數據和電器設備的控制中,例如筆記本電腦、PDA、移動電話之間或與電腦之間進行數據交換,電視機、空調器的遙控等,這種技術很早就出現的各種的日常應用之中。為了建立統一的紅外數據通訊標準1993年成立了紅外數據協會(frDA,hifraredDataAssoeiation),1994年發表了IrDA1.0規范。但由于紅外線的直射特性,只能進行視距傳輸,有效距離近,且兩臺紅外通訊設備必須對準,特別不適合傳輸障礙較多的地方。由于其傳輸距離近抗干擾能力差穿透力差因此不適合應用在本系統設計中。
(2)藍牙技術(Bluetooth)
     藍牙是一種支持設備短距離通信(一般IOm內)的無線電技術。能在包括手機!PDA!無線耳麥!筆記本電腦!相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用/藍牙0技術,能夠大大有效的簡化移動通信終端設備間的通信,也能夠成功地簡化設備與因特網Intemet之間的通信,從而數據傳輸變得更加迅速高效,為無線通信拓寬通路"藍牙采用分散式網絡拓撲結構以及快跳頻和短包技術,支持點對點及點對多點通信,工作在全球通用的2.4GHzISM(hidustrialseienti6cMe由eal)(即工業、科學、醫學)頻段。其數據速率為IMbps。采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。藍牙技術雖然具有很多的優點如技術開放設備兼容采用公用通訊頻段,但是其無線傳輸距離僅限于10m左右,是其一個致命的弱點,也不適合應用在溫室大棚無線溫濕度信息采集中。
(3)IEEE8o2.llb(Wi一Fi)
     Wi一Fi(wirelessFidelity,無線相容性認證)俗稱無線寬帶,其實就是IEEE802.llb的別稱,是由一個名為/無線以太網相容聯盟,,(WirelessEthemetcomPatibilltyAlliance,WECA)的組織所發布的業界術語,中文譯為/無線相容認證0。它與藍牙一樣,同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術,能夠在數百英尺范圍內支持互聯網接入的無線電信號。雖然在數據安全性方面,該技術比藍牙技術要差一些,但是在電波的覆蓋范圍方面則要略勝一籌。Wi一Fi的覆蓋范圍則可達90米左右,辦公室自不用說,就是在小一點的整棟大樓中也可使用。因此,Wi一Fi一直是企業實現自己無線局域網所青睞的技術。雖然它具有覆蓋范圍廣,兼容性廣,但是其高成本高技術要求使得這一技術在一般的無線傳輸應用中難以選擇。
(4)微功率短距離無線通訊技術
     近幾年來,微功率短距離的無線射頻模塊設計和制作技術有了很大進步;通常一個無線射頻模塊的主要電路都集成在一個芯片中,外圍附件電路很少,且模塊的體積小接口種類較多UART,SPI,USB等。這種模塊一般采用FSK調制方式工作于SIM頻段采用透明的方式進行數據的傳輸,用戶一般只要進行簡單的配置,就可以直接把它們應用的自己的系統設計中。
綜合以上論述,考慮到成本和實際需求,我們選擇了采用微功率短距離無線通訊技術的芯片。
目前市面上常用的燈無線模塊非常多:如CC1000、nRF401、nRf903、nRF905、TH72oll、APC220一43等。結合他們各自的工作特性以及系統設計的實際需要如無線傳輸距離、功耗、接口類型、編程控制的復雜性等,我們選擇了APC220無線模塊。
     APC220一43模塊是高度集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊,其嵌入高速單片機和高性能射頻芯片。創新的采用高效的循環交織糾檢錯編碼,抗干擾和靈敏度都大大提高,最大可以糾24bits連續突發錯誤,達到業內的領先水平。PC22o一43模塊提供了多個頻道的選擇,可在線修改串口速率,發射功率,射頻速率等各種參數。APC22O一43模塊能夠透明傳輸任何大小的數據,而用戶無須編寫復雜的設置與傳輸程序,同時小體積寬電壓運行,較遠傳輸距離,豐富便捷的軟件編程設置功能,使之能夠應用與非常廣泛的領域。APC220一43模塊是新一代的多通道嵌入式無線數傳模塊,其可設置眾多的頻道,步進精度為IKhZ,發射功率高達20mw,而仍然具有較低的功耗,體積37.smlnx18.3Inlnx7.OInln,非常方便客戶嵌入系統之內。APC220一43編碼增益高達近3dBm,糾錯能力和編碼效率均達到業內的領先水平,遠遠高與一般的前向糾錯編碼,抗突發干擾和靈敏度都較大的改善。同時編碼也包含可靠檢錯能力,能夠自動濾除錯誤及虛假信息,真正實現了透明的連接。所以妙c22o一43模塊特別適合與在工業領域等強干擾的惡劣環境中使用"綜合考慮以上因素,在眾多的無線舒模塊中我們選擇了APC220。
2.3鍵盤和顯示電路的選擇
     考慮到整個應用系統的工作環境特別是對亮度的要求等因素我們選擇了數碼管進行溫濕度數據的顯示。多位數碼管顯示技術有靜態顯示和動態掃描兩種方式,如采用靜態顯示方式一般占用Mcu的腳管特多,但顯示質量高;采用動態掃描方式占用的Mcu腳管少,但是編程控制過程較為復雜。綜合考慮系統對數碼顯示質量的要求,我們選擇了7415164用于串并轉換輸出字形,采用7415138芯片用于選擇數碼管的這一串行動態掃描方式"該方式能最大限度的節省Mcu的10口,只需要2個口線連接74LS164分別輸出時鐘和字形,用3個口線作為74LS138的地址線,用其4低電平輸出端分別選擇4個數碼管即可完成顯示電路的搭建,同時該電路也為系統擴展預留了接口。由于在上位機中可以采用無線的方式對下位機進行工作參數的傳遞,沒有必要在下位機中進行設定參數,雖然在下位機中設置了4個按鍵,其作用也不大,但是可以用來將來對系統功能的擴充。
2.4控制模塊的選擇
     能用做Mcu的控制模塊種類較多,如ARM,DSP,MCS系列單片機等。但是它們都有著自己的特點和專門的應用領域。如DSP主要應用于復雜的數字信號處理,ARM主要應用于一些高級的嵌入式應用;而單片機由于具有開發容易上手,接口豐富、位控制能力強、可靠性高的特點。非常適用于應用在處理速度要求不高,系統中沒有復雜運算處理的場合。結合本系統對控制器的系能要求,最終選擇了完全與常用的messl系列單片機兼容的STCI1F32單片機。之所以沒有選擇dsP,主要考慮到dsP主要應用于高速的數據處理以及復雜的算法處理中:而STCllF32單片機已經足以滿足在這個對處理響應速度要求不高的應用系統中。在單片機能滿足系統對數據處理速度和響應速度要求的情況下,首選的數據處理單元肯定是單片機。

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