溫室土壤溫濕度無線信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

      為達到節(jié)能環(huán)保的設(shè)計要求本系統(tǒng)設(shè)計采用太陽能供電,數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)的接收記錄以及溫濕度變化的曲線顯示任務(wù)同時也可以向下位機無線傳輸控制參數(shù)。系統(tǒng)構(gòu)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(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)字傳感器,精確及時對土壤溫濕度測量和控制,系統(tǒng)要便于安裝方便,維護簡單。
(3)軟件設(shè)計思路清晰,采用模塊化設(shè)計方案,充分利用系統(tǒng)硬件資源,便于系統(tǒng)的軟件升級和維護。
(4)上位機及時記錄溫濕度數(shù)據(jù)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(shù)進行設(shè)置。
2.2系統(tǒng)設(shè)計思路和方案
     總的設(shè)計思路是:從溫室種植的實際需求出發(fā),根據(jù)種植作物布局,選擇合適的傳感器、溫度測量模塊、數(shù)據(jù)傳輸方式、上位機等,根據(jù)溫室己有的管網(wǎng)布局和管線的規(guī)格,確定具體溫濕度傳感器的個數(shù)以及電磁閥的個數(shù),實現(xiàn)一個溫室土壤溫濕度的自動檢測和控制。這個系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲模塊等。整個硬件系統(tǒng)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(fā)一般開發(fā)工具如VB,VC,VFP以及Delphi均可以實現(xiàn)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(shè)計技術(shù)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(shù)測量方向迅猛發(fā)展,這都為新一代的溫濕度測控系統(tǒng)的開發(fā)研制提供了便利條件。在使用傳統(tǒng)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(shè)計非常復雜,由于大都呈非線性輸出,應(yīng)用時對技術(shù)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(shè)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(yīng)用時也要附加AD或脈寬測試電路,應(yīng)用仍然較為復雜。為此我們選擇了最新的完全數(shù)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(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器內(nèi)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(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。因此,該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越!高防護等級、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、極高的性價比等優(yōu)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(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)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(diào)用這些校準系數(shù)。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整,使外圍系統(tǒng)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(yīng)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(shù)有了突飛猛進的發(fā)展,包括各種無線模塊的設(shè)計制作功耗以及所采用的調(diào)頻糾錯頻段等技術(shù)。目前應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)非常多,如紅外技術(shù),藍牙技術(shù),好技術(shù),GPRS,CDMA等等。
(l)紅外通訊技術(shù)(IrnA)
     紅外通訊就是利用紅外線進行數(shù)據(jù)的傳輸,是無線通訊技術(shù)的一種。紅外通訊技術(shù)不需要實體連線,簡單易用且實現(xiàn)成本較低,因而廣泛應(yīng)用于小型移動設(shè)備互換數(shù)據(jù)和電器設(shè)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(shù)據(jù)交換,電視機、空調(diào)器的遙控等,這種技術(shù)很早就出現(xiàn)的各種的日常應(yīng)用之中。為了建立統(tǒng)一的紅外數(shù)據(jù)通訊標準1993年成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(frDA,hifraredDataAssoeiation),1994年發(fā)表了IrDA1.0規(guī)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(shè)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(yīng)用在本系統(tǒng)設(shè)計中。
(2)藍牙技術(shù)(Bluetooth)
     藍牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般IOm內(nèi))的無線電技術(shù)。能在包括手機!PDA!無線耳麥!筆記本電腦!相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進行無線信息交換。利用/藍牙0技術(shù),能夠大大有效的簡化移動通信終端設(shè)備間的通信,也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Intemet之間的通信,從而數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù),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(yè)、科學、醫(yī)學)頻段。其數(shù)據(jù)速率為IMbps。采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸。藍牙技術(shù)雖然具有很多的優(yōu)點如技術(shù)開放設(shè)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(yīng)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(wǎng)相容聯(lián)盟,,(WirelessEthemetcomPatibilltyAlliance,WECA)的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)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(shù),能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面,該技術(shù)比藍牙技術(shù)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(yè)實現(xiàn)自己無線局域網(wǎng)所青睞的技術(shù)。雖然它具有覆蓋范圍廣,兼容性廣,但是其高成本高技術(shù)要求使得這一技術(shù)在一般的無線傳輸應(yīng)用中難以選擇。
(4)微功率短距離無線通訊技術(shù)
     近幾年來,微功率短距離的無線射頻模塊設(shè)計和制作技術(shù)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(diào)制方式工作于SIM頻段采用透明的方式進行數(shù)據(jù)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(yīng)用的自己的系統(tǒng)設(shè)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(shù)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(jié)合他們各自的工作特性以及系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)傳輸模塊,其嵌入高速單片機和高性能射頻芯片。創(chuàng)新的采用高效的循環(huán)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(xù)突發(fā)錯誤,達到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)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(fā)射功率,射頻速率等各種參數(shù)。APC22O一43模塊能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù),而用戶無須編寫復雜的設(shè)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(shè)置功能,使之能夠應(yīng)用與非常廣泛的領(lǐng)域。APC220一43模塊是新一代的多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊,其可設(shè)置眾多的頻道,步進精度為IKhZ,發(fā)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(tǒng)之內(nèi)。APC220一43編碼增益高達近3dBm,糾錯能力和編碼效率均達到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平,遠遠高與一般的前向糾錯編碼,抗突發(fā)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(xiàn)了透明的連接。所以妙c22o一43模塊特別適合與在工業(yè)領(lǐng)域等強干擾的惡劣環(huán)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(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境特別是對亮度的要求等因素我們選擇了數(shù)碼管進行溫濕度數(shù)據(jù)的顯示。多位數(shù)碼管顯示技術(shù)有靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描兩種方式,如采用靜態(tài)顯示方式一般占用Mcu的腳管特多,但顯示質(zhì)量高;采用動態(tài)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(tǒng)對數(shù)碼顯示質(zhì)量的要求,我們選擇了7415164用于串并轉(zhuǎn)換輸出字形,采用7415138芯片用于選擇數(shù)碼管的這一串行動態(tài)掃描方式"該方式能最大限度的節(jié)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(shù)碼管即可完成顯示電路的搭建,同時該電路也為系統(tǒng)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(shù)的傳遞,沒有必要在下位機中進行設(shè)定參數(shù),雖然在下位機中設(shè)置了4個按鍵,其作用也不大,但是可以用來將來對系統(tǒng)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(yīng)用領(lǐng)域。如DSP主要應(yīng)用于復雜的數(shù)字信號處理,ARM主要應(yīng)用于一些高級的嵌入式應(yīng)用;而單片機由于具有開發(fā)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(yīng)用在處理速度要求不高,系統(tǒng)中沒有復雜運算處理的場合。結(jié)合本系統(tǒng)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(yīng)用于高速的數(shù)據(jù)處理以及復雜的算法處理中:而STCllF32單片機已經(jīng)足以滿足在這個對處理響應(yīng)速度要求不高的應(yīng)用系統(tǒng)中。在單片機能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度和響應(yīng)速度要求的情況下,首選的數(shù)據(jù)處理單元肯定是單片機。

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