果蔬大棚温湿度监控系统设计

汤单成　张志成　刘夫兴

【摘 要】论文设计了一个果蔬大棚温湿度监测与控制系统，可实现在上位机软件上监视与控制任意一个大棚的温度和湿度。该系统具有控制便捷、智能化程度高的特点，有较高的应用价值。

【关键词】温湿度；温室大棚；422通行网络；上位机

0.引言

目前中国北方在冬季种植反季节蔬菜水果仍采用落后的生产方式，以经验和人体感官来管理温室大棚，这样使得蔬菜水果并不能获得最好的生长环境，也不能生产出上层的产品。如果能有一个系统既可以实现温湿度环境的控制，又可以实现高度智能化，则有利于扩大生产规模，缓解甚至解决北方果蔬市场需求问题。

1.系统设计功能

图1

图2

图1所示为果蔬大棚温湿度监测与控制系统的原理图。整个系统由一个控制终端和若干个大棚组成（本项目只以三个为例）。系统控制终端的上位机窗口可以实时监视所有大棚内的温湿度并且修改任一大棚内的温湿度变化范围。当其中一个大棚内的温度或湿度越过预设界限时，上位机窗口显示大棚温湿度并发出指示灯和语音越界报警。假如1号大棚内的温度测试点1的温度高于预设值，湿度低于预设值，那么上位机窗口在1号大棚的显示区域内，温度指示灯变红色（指示灯为红色则实际值高于预设上边界值，为黄色则在预设范围内，为蓝色则低于预设值），湿度指示灯变蓝色，语音播出“1号大棚内，温度过高，湿度过低”。

每个大棚内的预设的温湿度界限值，只需在上位机窗口输入相应的值，上位机自动将预设值发送给对应大棚内的处理器。上位机窗口显示各个大棚内的温湿度值，则是实时更新。图2所示为大棚内部小系统，由一个单片机（ATMEGA16）和三个温湿度测试点组成。这三个点分布在大棚内的不同位置。单片机对大棚内的三个测试点的传感器进行数据的读取、处理、发送至上位机，同时也接收上位机发来的指令，调节大棚内温度和湿度，实现全双工通信。在大棚中的每个测试点都对应有加湿机和除湿机，可以很好解决大棚内温湿度局部不均的现象。当温度或湿度不在预设范围内，单片机则直接控制加湿机或加热机做出相应动作。然后再发送温湿度数值。所以大棚内部是一个很独立的系统，可以实时控制大棚内的温湿度。与上位机之间通信只是接收上位机发来的温湿度预设指令和发送大棚内实时温湿度数值。大棚与上位机之间通信采用422通信网络。传输数据性能可靠，传输距离远，数据实时更新。422通信网络可以接入若干个大棚。只需在通信总线上接入大棚内单片机通信接口就可以很好实现上位机与每个大棚之间通信（此处为422总线不同于传感器的单总线）。所有大棚统一由上位机管理。

2.系统硬件电路设计

上位机是基于windows操作系统编写，所以硬件无需再设计，只需要一个USB转串口线，即可解决UT-203与PC机之间连接。

目前通用的串行通信接口标准主要有RS232、RS422和RS485，其中RS232属于单端不平衡传输协议，传输距离短，抗干扰性差；RS 485与RS422均为平衡通信接口，但RS485他只有一对双绞线，工作于半双工模式。RS422属于一种平衡通信接口，采用全双工通信模式，传输速率高达10Mb/s，传输距离长2000m，并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。由于其各方面的优异性能，本项目选用422通信网络来实现上位机与单片机之间的通信。

在此，我们通过使用UT-203RS232转RS485/422转换器实现， 此转换器能够将单端的信号转换为平衡差分的RS-422信号，可将通信距离延长至1.2公里，无需外接电源采用独特的“RS-232电荷泵”驱动，不需要靠初始化RS-232串口可得到电源， 内部带有零延时自动收发转换，独有的电路自动控制数据流方向，而不需任何握手信号（如 RTS、DTR等），无需跳线设置实现全双工（RS-422）模式转换，从而保证了RS-232在全双工方式下编写的程序无需更改便可在RS-422方式下运行，确保适合现有的操作软件和接口硬件。转换器的传输速率300-115.2Kbps，完全可以实现本项目中上位机与单片机之间构成点到多点远程多机通信网络。只需将一个UT-203接上位机，再用3个UT-203依次接三个大棚，将UT-203连接在一起，见图1所示的连接方式。

从机系统结构有微控制器ATMEGA16的最小系统电路，AM2303的工作电路，加湿机与加温机的控制电路，单片机JTAG调试接口，RS232的通信电路以及单片机运行闪烁指示灯组成。系统采用直流稳压5V电源供电。

3.系统软件设计

3.1上位机软件设计

上位机采用VB语言编写，在上位机窗口上有上中下三个显示区域依次对应着1号2号3号大棚，在每一个显示区域中依次显示着测试点1的温度和湿度值，测试点2的温度和湿度值，以及测试点3的温度和湿度值。在每个显示区域内的下面有该大棚预设温度和湿度值的输入框，只需输入相应的值，上位机便自动完成发送工作。在每个显示区域内的右侧有选择框，选择是否开启此大棚的监视功能，每个大棚的监视是独立的。选择框下面则是大棚监视时间长度，可以显示大棚监视时长。在每一个温度和湿度显示框后面都有一个状态指示灯，比如1号大棚测试点1温度过高，湿度过低，则在上位机上部的显示区域内，测试点1的温度指示灯变红，湿度指示灯变蓝，同时语音播出：“1号大棚测试点1的温度过高，湿度过低”。如果温度和湿度都在预设值范围内，那么指示灯为黄色，语音不发出声音。上位机与从机之间通信，上位机为主控方，上位机先给1号从机发送温湿度上下限值，并在这一串指令的首尾加上校验码，并转入等待状态，如果1号从机校验成功（说明指令接收正确）则将上位机最新的三个测试点的温度和湿度的数值加上校验码发送给上位机。上位机接收到数据后验证校验码，正确则进行2号从机的指令发送工作。如果一号机没有校验成功，那么上位机在等待状态下等待10ms之后，继续给2号从机发送温湿度上下限值。然后发送给3号从机，再1号机……这样一直循环下去。

3.2从机软件设计

从机即每一个独立的温室大棚，在每一个大棚中有1个微控制器，3个测试点，控制器为ATMEGA16单片机。ATMEGA16 通过单总线协议读取温湿度传感器AM2303的温湿度转换数值，AM2303每次读取40位二进制数，前16位为温度值，紧接着16位是湿度值，最后8位是校验值。单片机依次对3个测试点进行数据读取。当每次读取校验成功，单片机对温度和湿度的值进行处理，如果某一测试点的温湿度值大于或小于上位机发来的预设值，单片机则控制加湿机或加温机进行工作。假如测试点1的温度超过预设值，湿度低于预设值。那么单片机控制测试点1处的加湿机加湿，降温机降温。然后再进行测试点2的温湿度读取与控制，测试点3温湿度读取与控制，如此循环。与上位机之间通信，考虑到响应主机的实时性，我们采用中断接收数据，当主机发送指令到总线上，所有从机立即停止正在做的事情，去接收主机的一串指令，假如这串指令的校验码是1号从机的，那么别的从机一校验不是他们的则继续回去处理正在处理的事情，而1号从机校验成功，将接收到的数据存起来之后，向上位机发送1号从机的最新温度和湿度的值。如果1号主机没有校验成功，那么从机都不做反应。上位机等待10ms之后就会转入发送2号从机的指令。

3.3误差处理

误差主要有两个方面，一是AM2303读取出错造成的误差，二是422通信错误造成的误差。对于对温湿度传感器读取误差我们采用自带校验值校验，每次校验成功则更新数据，否则不更新。422通信错误误差，我们采用指令首尾校验，校验成功则更新数据，校验错误则接收到的数据作废，等待下次再接收。

【参考文献】

[1]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践（第二版）.北京航空航天大学出版社，2011，8.

[2]求是科技.单片机通信技术与工程实践（第一版）.人民邮电出版社，2005，1.

[3]潘松，黄继业.EDA技术与VHDL（第三版）.清华大学出版社，2009，9.