基于虚拟仪器技术的温室环境无线检测系统

1 引言

　　温室是利用可调控的技术手段，在不适宜露地植物生长的季节用来栽培植物的设施[1]。它可改变植物生长的外部环境，为植物创造最佳条件，从而达到高效、高产的目的。20世纪90年代，大规模的温室开始引进农业生产，并逐渐成为设施农业的重要内容。目前，我国温室的建造面积已超过120万公顷，跃居世界第一。但是我国商品化温室普及率很低，60%以上为简易日光温室，温室环境参数主要靠人工检测[2]。人工检测温室环境工作量大，效率低，阻碍了温室的规模化发展。

　　随着科学技术的不断进步以及计算机技术的普及，温室环境的自动控制成为温室建设的目标，温室管理智能化成为温室发展的方向。温室环境的检测是实现自动控制和智能化的基础。世界发达国家如荷兰、美国、英国、日本等大力发展集约化的温室产业，智能化温室测控系统已经得到应用，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，遥测技术、网络技术、控制局域网也在温室的自动管理控制中得到了广泛应用[3]。我国的温室环境检测起步较晚，但也产生了一批有价值的研究成果，华中科技大学开发了基于PLC 的温室环境智能控制系统[4]，浙江大学开发出掌上型温室环境测控系统[5]，延安大学研制了基于单片机的温室环境数据采集终端[6]。但由于成本和技术普及等方面的限制，温室环境参数的自动检测系统在实际生产过程中的应用受到严重制约，限制了温室环境自动检测系统的推广和应用，因此开发一套适合我国国情的低成本，易用、易安装的无线温室环境检测系统对于温室环境的自动化控制和智能化管理具有重要意义。

2 系统组成

　　本文介绍的温室环境无线检测系统由数据采集终端、无线传输模块和监控中心三部分组成。数据采集终端主要由单片机系统和各参数检测传感器组成，实现温室温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度的前端采集、数据转换以及临时存储；采集的数据定时通过GSM无线网络传送到监控中心；监控中心为安装有笔者开发的温室环境无线检测系统软件的普通计算机, 负责对温室环境参数的处理、分析、显示以及储存，如果温室环境参数变化异常，监控中心将通过GSM网络以短消息的模式发送到温室相关管理人员的手机中进行及时提醒，同时，监控中心还可以通过GSM网络随时向数据采集终端发送指令，对传感器参数、无线传输参数进行调整和修改，查看网络系统中的任何温室的环境参数。系统结构组成图如图1所示。

图1.系统结构组成图

3 数据采集终端

3.1 终端硬件设计

　　数据采集终端的核心选用AT89C51单片机。单片机与PLC和ARM系统相比，具有体积小、电路简单、技术成熟、功耗低等优势。因为温室环境参数数据量小，变化缓慢，速度和精度要求不高，单片机的性能完全满足具体的使用要求，并且可以大大降低系统成本。AT89C51单片机是一种高性能8位单片机，采用了CMOS工艺和NURAM技术，输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。本文设计的数据采集终端硬件结构图如图2所示。

图2. 数据采集终端硬件结构图

3.1.1 传感器选用

　　终端检测温室的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度，选用传感器类型及相关参数如表1所示。

表1.传感器选型参数表

3.1.2 A/D转换芯片

　　A/D转换芯片选用MAX186，它是一种串行输入的模数变换器，转换精度为12位，该芯片变换速率高、功耗低、增益调节简单，利用MAX186的4个模拟信号通道采集温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度。

3.1.3 时钟芯片

　　采集的时间间隔由时钟芯片控制，默认每小时采集并发送一次。时钟芯片选用DS12887型号芯片，它把时钟所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，无需任何外围电路，芯片内部有114个字节为通用RAM且具有掉电保护功能，掉电情况下，数据不会丢失。

3.1.4 看门狗芯片

　　本系统数据采集终端长期在温室内工作，为了防止程序跑飞或进入死循环，选用X25045看门狗芯片。X25045是标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的安全性和可靠性。

3.1.5 电平转换芯片

　　本系统数据采集终端和监控中心均通过RS-232接口与无线传输模块连接。单片机使用TTL电平，即0到+5v的电压，而RS-232信号电平为-10V到10V的电压。两者进行连接时，需要一个电平转换芯片MAX232，用于TTL电平和RS-232电平的转换。

3.2 终端软件设计

　　数据采集终端软件设计流程如图3所示。系统上电后初始化各个模块，如设置串口波特率、初始时钟芯片时间等，然后等待中断。数据采集终端发送数据有两种工作模式，一种是定时发送，每个响应时刻采集并发送一次；另一种工作模式是根据控制指令随机采集温室环境参数。当控制中心计算机通过GSM网络向数据采集终端发送采集数据，修改参数等控制指令时，数据采集终端首先根据规定的控制指令协议判断真伪，若真则完成相应动作并发送确认短信，否则不做任何响应。

图3. 数据采集终端软件设计流程图
 
4 GSM网络无线传输模块

　　系统通过GSM网络进行数据和指令的无线传输。GSM (global system for mobile communications) 是根据GSM技术规范建造的国际无线蜂窝网络，目前是我国覆盖范围最大、市场占有量最大的数字蜂窝系统。短消息服务(SMS)是GSM技术的一项内容，它每次可传输140个字节的数据，通过GSM网络的信令信道传送。短消息业务分为点对点短消息业务和小区广播短消息业务。点对点的短消息业务通过短消息业务中心(MSC)来完成存储和转发功能，当接收终端不在线时，GSM系统会在用户数据库中设置等待标志，待接收终端上线后，GSM系统会及时通知短消息中心重新发送短消息。短消息业务依附于GSM网络之上，在GSM网络覆盖的范围内均可传送短消息，它是一种确认型业务，具有双向寻呼的特点，确保消息可靠接收，利用点对点短消息业务可方便可靠地实现信息的远程传输。

　　系统选用集成TC35i芯片的GSM模块，基于以下几个方面的特点：所有与AT 响应有关的操作都是由GSM模块在其内部完成；程序开放，支持用户方便进行二次开发；具有格式及透明传输两种传输格式；无须驱动程序；设置四字节的密码，可使接收终端免收广告、通知等数据干扰。

　　检测过程中，数据采集终端连接的GSM模块需要向监控中心连接的GSM模块发送数据，监控中心GSM模块的目标地址需要不断变化，数据采集终端GSM模块的目标地址是固定不变的。因此监控中心GSM模块为非透明传输，数据采集终端GSM模块工作在透明方式下。非透明传输时发送和接收内容格式如表2所示。透明传输方式下，发送和接收的内容无格式要求，所发即所收。两种方式混用时，非透明传输的GSM模块按照格式发送或接收信息，透明传输的GSM模块只发送或接收有格式传输的“数据”部分内容。

表2.GSM模块非透明传输数据格式

5 监控中心

　　监控中心温室环境无线检测系统软件具有参数设置、数据显示、数据保存与查询、温室环境数据分析、生成报表与打印，控制指令，短信报警等功能模块。检测开始前，用户可通过参数设置模块对传感器进行标定，对采样频率、串口波特率等参数进行设置；检测过程中，温室环境无线检测系统软件读取GSM模块收到的数据，并以数字仪表的形式显示温室的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度，同时可实现数据的存储、历史数据的查询、分析绘制温室环境变化曲线以及生成WORD报表、打印等功能；控制指令模块包含开始采集、停止采集、更改设置等指令，可在工作过程中对数据采集终端进行有效控制；温室环境无线检测系统软件实时对温室环境参数进行分析判断，如有异常变化将及时向相应温室管理员手机发送报警短信。

　　温室环境无线检测系统软件的编写采用美国NI公司开发的基于C语言的虚拟仪器软件开发平台LabWindows/CVI，它提供了丰富的串口通信编程函数，并且能很方便的实现数据的读取、存储等功能。系统软件主界面如图4所示。

图4.温室环境无线检测系统主界面

6 结论

　　本文集成虚拟仪器技术、单片机技术和GSM无线通讯技术开发了一套温室环境无线检测系统，实现了温室环境参数的自动检测和无线传输，监控中心可远程检测温室环境，并可对环境参数进行深入分析研究，还可对异常情况短信报警。系统成本低，安装改造方便，可靠性高，适合大范围推广。通过传感器的扩展还可对更多参数进行检测。