湯單成　張志成　劉夫興

【摘 要】論文設計了一個果蔬大棚溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)，可實現在上位機軟件上監(jiān)視與控制任意一個大棚的溫度和濕度。該系統(tǒng)具有控制便捷、智能化程度高的特點，有較高的應用價值。

【關鍵詞】溫濕度；溫室大棚；422通行網絡；上位機

0.引言

目前中國北方在冬季種植反季節(jié)蔬菜水果仍采用落后的生產方式，以經驗和人體感官來管理溫室大棚，這樣使得蔬菜水果并不能獲得最好的生長環(huán)境，也不能生產出上層的產品。如果能有一個系統(tǒng)既可以實現溫濕度環(huán)境的控制，又可以實現高度智能化，則有利于擴大生產規(guī)模，緩解甚至解決北方果蔬市場需求問題。

1.系統(tǒng)設計功能

圖1

圖2

圖1所示為果蔬大棚溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的原理圖。整個系統(tǒng)由一個控制終端和若干個大棚組成（本項目只以三個為例）。系統(tǒng)控制終端的上位機窗口可以實時監(jiān)視所有大棚內的溫濕度并且修改任一大棚內的溫濕度變化范圍。當其中一個大棚內的溫度或濕度越過預設界限時，上位機窗口顯示大棚溫濕度并發(fā)出指示燈和語音越界報警。假如1號大棚內的溫度測試點1的溫度高于預設值，濕度低于預設值，那么上位機窗口在1號大棚的顯示區(qū)域內，溫度指示燈變紅色（指示燈為紅色則實際值高于預設上邊界值，為黃色則在預設范圍內，為藍色則低于預設值），濕度指示燈變藍色，語音播出“1號大棚內，溫度過高，濕度過低”。

每個大棚內的預設的溫濕度界限值，只需在上位機窗口輸入相應的值，上位機自動將預設值發(fā)送給對應大棚內的處理器。上位機窗口顯示各個大棚內的溫濕度值，則是實時更新。圖2所示為大棚內部小系統(tǒng)，由一個單片機（ATMEGA16）和三個溫濕度測試點組成。這三個點分布在大棚內的不同位置。單片機對大棚內的三個測試點的傳感器進行數據的讀取、處理、發(fā)送至上位機，同時也接收上位機發(fā)來的指令，調節(jié)大棚內溫度和濕度，實現全雙工通信。在大棚中的每個測試點都對應有加濕機和除濕機，可以很好解決大棚內溫濕度局部不均的現象。當溫度或濕度不在預設范圍內，單片機則直接控制加濕機或加熱機做出相應動作。然后再發(fā)送溫濕度數值。所以大棚內部是一個很獨立的系統(tǒng)，可以實時控制大棚內的溫濕度。與上位機之間通信只是接收上位機發(fā)來的溫濕度預設指令和發(fā)送大棚內實時溫濕度數值。大棚與上位機之間通信采用422通信網絡。傳輸數據性能可靠，傳輸距離遠，數據實時更新。422通信網絡可以接入若干個大棚。只需在通信總線上接入大棚內單片機通信接口就可以很好實現上位機與每個大棚之間通信（此處為422總線不同于傳感器的單總線）。所有大棚統(tǒng)一由上位機管理。

2.系統(tǒng)硬件電路設計

上位機是基于windows操作系統(tǒng)編寫，所以硬件無需再設計，只需要一個USB轉串口線，即可解決UT-203與PC機之間連接。

目前通用的串行通信接口標準主要有RS232、RS422和RS485，其中RS232屬于單端不平衡傳輸協(xié)議，傳輸距離短，抗干擾性差；RS 485與RS422均為平衡通信接口，但RS485他只有一對雙絞線，工作于半雙工模式。RS422屬于一種平衡通信接口，采用全雙工通信模式，傳輸速率高達10Mb/s，傳輸距離長2000m，并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。由于其各方面的優(yōu)異性能，本項目選用422通信網絡來實現上位機與單片機之間的通信。

在此，我們通過使用UT-203RS232轉RS485/422轉換器實現， 此轉換器能夠將單端的信號轉換為平衡差分的RS-422信號，可將通信距離延長至1.2公里，無需外接電源采用獨特的“RS-232電荷泵”驅動，不需要靠初始化RS-232串口可得到電源， 內部帶有零延時自動收發(fā)轉換，獨有的電路自動控制數據流方向，而不需任何握手信號（如 RTS、DTR等），無需跳線設置實現全雙工（RS-422）模式轉換，從而保證了RS-232在全雙工方式下編寫的程序無需更改便可在RS-422方式下運行，確保適合現有的操作軟件和接口硬件。轉換器的傳輸速率300-115.2Kbps，完全可以實現本項目中上位機與單片機之間構成點到多點遠程多機通信網絡。只需將一個UT-203接上位機，再用3個UT-203依次接三個大棚，將UT-203連接在一起，見圖1所示的連接方式。

從機系統(tǒng)結構有微控制器ATMEGA16的最小系統(tǒng)電路，AM2303的工作電路，加濕機與加溫機的控制電路，單片機JTAG調試接口，RS232的通信電路以及單片機運行閃爍指示燈組成。系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓5V電源供電。

3.系統(tǒng)軟件設計

3.1上位機軟件設計

上位機采用VB語言編寫，在上位機窗口上有上中下三個顯示區(qū)域依次對應著1號2號3號大棚，在每一個顯示區(qū)域中依次顯示著測試點1的溫度和濕度值，測試點2的溫度和濕度值，以及測試點3的溫度和濕度值。在每個顯示區(qū)域內的下面有該大棚預設溫度和濕度值的輸入框，只需輸入相應的值，上位機便自動完成發(fā)送工作。在每個顯示區(qū)域內的右側有選擇框，選擇是否開啟此大棚的監(jiān)視功能，每個大棚的監(jiān)視是獨立的。選擇框下面則是大棚監(jiān)視時間長度，可以顯示大棚監(jiān)視時長。在每一個溫度和濕度顯示框后面都有一個狀態(tài)指示燈，比如1號大棚測試點1溫度過高，濕度過低，則在上位機上部的顯示區(qū)域內，測試點1的溫度指示燈變紅，濕度指示燈變藍，同時語音播出：“1號大棚測試點1的溫度過高，濕度過低”。如果溫度和濕度都在預設值范圍內，那么指示燈為黃色，語音不發(fā)出聲音。上位機與從機之間通信，上位機為主控方，上位機先給1號從機發(fā)送溫濕度上下限值，并在這一串指令的首尾加上校驗碼，并轉入等待狀態(tài)，如果1號從機校驗成功（說明指令接收正確）則將上位機最新的三個測試點的溫度和濕度的數值加上校驗碼發(fā)送給上位機。上位機接收到數據后驗證校驗碼，正確則進行2號從機的指令發(fā)送工作。如果一號機沒有校驗成功，那么上位機在等待狀態(tài)下等待10ms之后，繼續(xù)給2號從機發(fā)送溫濕度上下限值。然后發(fā)送給3號從機，再1號機……這樣一直循環(huán)下去。

3.2從機軟件設計

從機即每一個獨立的溫室大棚，在每一個大棚中有1個微控制器，3個測試點，控制器為ATMEGA16單片機。ATMEGA16 通過單總線協(xié)議讀取溫濕度傳感器AM2303的溫濕度轉換數值，AM2303每次讀取40位二進制數，前16位為溫度值，緊接著16位是濕度值，最后8位是校驗值。單片機依次對3個測試點進行數據讀取。當每次讀取校驗成功，單片機對溫度和濕度的值進行處理，如果某一測試點的溫濕度值大于或小于上位機發(fā)來的預設值，單片機則控制加濕機或加溫機進行工作。假如測試點1的溫度超過預設值，濕度低于預設值。那么單片機控制測試點1處的加濕機加濕，降溫機降溫。然后再進行測試點2的溫濕度讀取與控制，測試點3溫濕度讀取與控制，如此循環(huán)。與上位機之間通信，考慮到響應主機的實時性，我們采用中斷接收數據，當主機發(fā)送指令到總線上，所有從機立即停止正在做的事情，去接收主機的一串指令，假如這串指令的校驗碼是1號從機的，那么別的從機一校驗不是他們的則繼續(xù)回去處理正在處理的事情，而1號從機校驗成功，將接收到的數據存起來之后，向上位機發(fā)送1號從機的最新溫度和濕度的值。如果1號主機沒有校驗成功，那么從機都不做反應。上位機等待10ms之后就會轉入發(fā)送2號從機的指令。

3.3誤差處理

誤差主要有兩個方面，一是AM2303讀取出錯造成的誤差，二是422通信錯誤造成的誤差。對于對溫濕度傳感器讀取誤差我們采用自帶校驗值校驗，每次校驗成功則更新數據，否則不更新。422通信錯誤誤差，我們采用指令首尾校驗，校驗成功則更新數據，校驗錯誤則接收到的數據作廢，等待下次再接收。

【參考文獻】

[1]馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐（第二版）.北京航空航天大學出版社，2011，8.

[2]求是科技.單片機通信技術與工程實踐（第一版）.人民郵電出版社，2005，1.

[3]潘松，黃繼業(yè).EDA技術與VHDL（第三版）.清華大學出版社，2009，9.