基于单片机的果园智能监控系统研究

庄立群

（江苏省宜兴中等专业学校，江苏 宜兴 214200）

果园管理和与普通大棚管理最大的区别在于果园外部环境更加复杂多变，因此有必要对果园安装智能监控系统，实现环保、高效及智能现代化的果园管理目标。现阶段，科研人员基于网络通信技术的果园智能监控系统研究较多，但对于单片机无线电子传感果园智能监控研究相对较少。本文根据普通果园监控需求，设计了一种基于低功耗单片机MSP430f149为核心的果园智能监控系统，在动态监控各种果园环境参数的同时，起到防火灾预警、驱逐害鸟的作用。

1 监控系统总体结构及工作原理

本文所设计的果园智能监控系统由MSP430f149单片机、蜂鸣器报警装置、电源装置、气体传感器装置、热释电红外人体感应装置、温湿度传感器装置和串口通信装置7个部分组成，能够对果园内部烟雾浓度、温湿度、果园安全防护进行实时监控，各传感器装置通过信号采集端口接收原始模拟信号，经过信号处理后在计算机监控软件上显示监测结果；同时操作人员根据反馈结果设置相应模块参数，如使用HTU21D温湿度传感器感应果园环境温度、湿度数据变化。另外，该系统还配备有烟雾传感器，当果园发生火灾时能够及时发出报警。计算机可视化监控平台用VB程序进行编写，具备果园实时环境数据显示和控制功能，让计算机监控界面更加人性化。本文所设计的果园智能监控系统总体结构如图1所示。

2 果园智能监控系统硬件设计

本果园智能监控系统由MSP430f149单片、供电模块、烟雾传感器、温湿度传感器、热释电红外传感器和计算机监控硬件构成。

2.1 单片机选择

本设计采用美国德州仪器公司生产的16位低功耗MSP430F149单片机，自带60k FLASH，具有快速苏醒、超低功耗等特点。芯片内部自带大量的外围模块、2k大容量存储空间、独立CPU硬件乘法器、两个16位计数器、两个外部晶振、一个高精度12位模数转换器、一个内部DCO振荡器和2个异步或同步通道串行通信端口，同时支持ISP，方便在线升级、生产与调试。另外，该单片机能抗电干扰，确保系统正常运行，适用工业级运行环境。

图1 果园智能监控系统硬件结构

2.2 传感器选择

2.2.1 烟雾传感器。本设计采用GTH1000烟雾传感器，该烟雾传感器对一氧化碳气体、烟雾粒子的灵敏度较高，对火灾烟雾也有一定识别功能，是一种适合于多领域范围的低成本烟雾传感器［1］。GTH1000烟雾传感器能够自动识别气体是否含有火灾烟雾中的气、液或固体微粒群，如果超过设定阈值则将监测到的气体参数传送至MSP430F149单片机P6.6端口，MSP430f149单片机接收模拟信号后，与设置参数对比，如果超出阈值则发出声音报警，并在上位机上进行显示。

2.2.2 温湿度传感器模块。本设计选择HTU21D作为温湿度传感模块，这是一款由法国Humirel生产的高性能复合温湿度传感器。HTU21D温湿度传感器工作电压为1.5～3.6 V，具有体积小、性价比高、功耗低、抗结露、高灵敏度以及抗电磁干扰能力强等特点。HTU21D温湿度传感主要包括电阻式感湿元件和测温元件［2］。所有HTU21D温湿度传感器的校准均在高精度湿度校验室中进行，HTU21D温湿度传感器在检测信号过程中会调用OTP ROM中的校准参数进行检测。

2.3 供电模块

本设计采用3.3 V HT7333A稳压芯片，将常用的5.0 V电源转换成3.3 V电源，供给单片机使用。HT7333A稳压芯片通过正向低压降稳压器，将5.0 V电源直接转换成3.3 V电源。为确保3.3 V电源输出稳态，在输出端增加了1个100μF电容。另外，在MSP430F149芯片输入引脚也放置了一个100pF的滤波电容，避免芯片输入引脚受到的干扰。

3 果园智能监控系统软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机设计软件由主程序、数模转化、GTH1000烟雾传感器、Max232串口通信模块、蜂鸣器报警和HTU21D温湿度传感器等子程序模块组成。通过下位机各子程序模块实现MSP430F149单片机对监控信息采集、分析、处理和响应等功能。本系统软件编程采用Dev-Cpp软件进行C语言编程，Dev-Cpp软件开发环境集合了工程编辑器、仿真调试器和多页面窗口，智能果园监控系统下位机软件流程图如图2所示。主程序开始运行时先对模数转换、端口、串口和定时器进行初始化设置，然后启动定时器进入低功耗模式，采集热释电红外和烟雾模拟电压值进行模数转换，若超过预定阈值，蜂鸣器将会发出报警声音。

3.2 上位机监控系统软件设计

智能果园监控系统采用VB开发上位机控制平台，上位机与下位机利用RS-232通行方式执行串口初始化指令，并确定握手协议，发送接收数据，从而实现通信。串口初始化选择通信使用的串口；握手协议调通握手信号实现计算机与单片机之间的正常数据传输；串口测控程序由上位机向下位机发出命令，同时需要由下位机向上位机反馈数据，使上位机了解系统测试数据或下位机运行状态。本监控系统利用Spcomm串口控件，接收上位机信息并向下位机发送数据，在系统开发过程中应注意在串口空置时及时关闭串口，释放系统空间，保证系统其他应用快速响应。

图2 果园智能监控系统下位机软件流程

4 结语

本文根据果园智能监控需求构建了一个果园智能监控系统。该智能监控系统通过传感器实时采集果园温湿度、烟雾、安防等环境信息，同时蜂鸣器定时发出声音来驱逐害鸟。该监控系统下位机充分利用了MSP430F149单片机扩展功能，上位机显示果园动态环境数据，实现果园智能化监控目标。