溫室監控系統設計論文

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摘要：為了更好地滿足農業發展要求，設計一套基于組態軟件的智能溫室監控系統。系統主要由主控制器、傳感器、執行機構及系統組態軟件構成。筆者分別從主控制器硬件設計、傳感器選型、主程序設計、通信接口設計、組態軟件界面設計等方面進行闡述。系統在楊凌農業示范園進行了實地測試。測試結果表明，本系統硬件結構可靠、軟件系統運行情況良好，操作簡單，使用方便，可滿足溫室大棚智能監控的需求，實現了預期功能。

關鍵詞：組態軟件；智能溫室；系統設計

智能溫室是現代農業的重要組成部分，早在20世紀70年代，國外就開始對智能溫室環境監控技術進行研究，其中日本、荷蘭、以色列、美國等發達國家智能溫室監測技術發展的最快。國外智能溫室最早采用模擬式的組合儀表，采集溫室環境因子參數，并通過相關設備進行指示、記錄和控制。隨后又出現了分布式監測系統以及計算機數據采集監測系統的多因子綜合監測系統。溫室產業在我國農業中的比重不斷增加，加快了我國現代化農業發展的速度?！敖M態”的概念是伴隨著集散型控制系統（DistributedControlSystem，DCS）的出現，才被廣大自動化技術人員所熟悉的。在監控技術的不斷發展和應用過程中，組態軟件因為界面直觀、便于二次開發、使用方便而一直占據著非常重要的地位，因此，基于組態軟件設計了一套溫室監控系統。

1系統總體設計

農作物的生長受到各種不同環境因子的影響，這些環境因子對作物生長發育的影響各不相同[1]。目前，科學家分析影響植物生長的環境因子達52種，其中空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度是影響植物生長最主要的幾種環境因子。根據系統監測與控制需求分析，確定系統結構如圖1所示。

2系統硬件設計

2.1傳感器選型

要實現對溫室環境因子參數的監測，必須選擇適合系統的傳感器[2]。為了便于電路設計，系統土壤溫濕度傳感器選擇上海搜博公司生產的SLHT5溫濕度傳感器。該傳感器內置SHT10器件，主要用于土壤溫濕度測量。光照度傳感器選用ROHM公司的BH1750傳感器。該傳感器是一種用于兩線式串行接口的數字型光強度傳感器，內部包含一個16位模數轉換器，直接輸出數字信號。因此，該傳感器使用時不需再進行復雜計算，使用非常方便。二氧化碳傳感器選用MH-Z14NDIR紅外二氧化碳傳感器。該傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的二氧化碳進行檢測，是一款高分辨率、高靈敏度的傳感器，無氧氣依賴性，壽命長，供電電壓為4～6V，提供UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式。該傳感器內置溫度傳感器，可進行溫度補償，具有良好的線性輸出能力。幾種傳感器外形如圖2所示。

2.2主控制器設計

系統主控制器性能的好壞直接影響系統可靠性。本系統采用基于ARMCortex-M3內核的STM32系列單片機[3]。系統選用STM32F103VE作為主控芯片，主頻72MHz，內部含有256K字節的FLASH和64K字節的SRAM，LQFP100封裝。操作系統選用了μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統[4]。主控制器結構框圖如圖3所示。

3系統軟件設計

軟件是整個系統的靈魂，對于系統的運行來說至關重要，各個操作都是在軟件的協調下進行的。系統的軟件設計包括溫室控制系統的軟件設計、通信接口驅動程序設計、上位機管理軟件的設計等。本系統上位機軟件因選取組態軟件，此處不再贅述。

3.1系統主程序

系統的主程序是軟件設計的核心環節，對整個程序架構起關鍵作用。系統上電后，將進行初始化，隨后進入主程序。系統可以進行模式選擇，分為手動和自動兩種方式。在進入相應的子程序后，將逐步完成按鍵的掃描和服務、控制方式設置、環境參數采集、通信接口驅動和執行處理控制等程序，主程序流程圖如圖4所示。

3.2CAN總線通信協議

CAN總線有其自身的特色，傳送的報文沒有目標地址，采取全網廣播方式，每個節點通過反映數據性質的報文標識符篩選報文，能夠實現即插即用，可在線上網下網，增強了數據的安全性，滿足控制系統及其他較高數據要求的系統需求。CAN總線通信軟件設計包括CAN總線的初始化、報文發送和報文接收3個模塊[5]。本系統所使用的芯片因其有專門一整套為其設計的固件驅動程序，因而大大簡化了編程過程，為開發者省去了許多時間，可以將更多的精力放在實現系統功能上。

4組態監控系統設計

本系統上位機軟件選用組態王組態軟件。組態王（Kingview）是由北京亞控自動化軟件有限公司開發的一款具有易用性、開放性和集成能力的通用組態軟件。使用組態王的基本流程為：設計圖形界面、構造數據庫、建立動畫連接、運行和調試。上位機是系統與用戶直接對話的窗口。組態王提供了豐富的系統界面設計資源。本系統分別設計了登錄界面、溫室狀態與控制界面、參數修改界面、實時與歷史曲線界面、報警與事件界面，實現了系統相關功能[6]。

5結語

系統完成設計后，配合硬件試驗資源，在楊凌農業示范園進行了實地測試，系統測試運行界面如圖5所示。測試結果表明，基于組態軟件的溫室智能監控系統能夠實現系統預期功能，操作簡單、使用方便，系統運行情況良好。

作者:馮春衛 閔衛鋒 單位:楊凌職業技術學院

參考文獻

[1]肖乾虎.基于ZigBee/GPRS的作物生長環境因子遠程監測系統研究[D].?？?海南大學,2014.

[2]楊少春.傳感器原理及應用[M].北京:電子工業出版社,2010.

[3]王丹丹,宗振海,陳慧珊,等.基于STM32的智能溫室遠程控制系統的設計[J].浙江農業學報,2014,26（3）791-796.

[4]朱琳,郭永.基于STM32的工業通用控制器的研究和實現[J].化工自動化及儀表,2012:224-227.

[5]傅仕杰,張英梅,王樂.基于STM32溫室環境測控系統的研究[J].農業網絡信息,2010(12).

[6]楊學坤,諸剛,胡瑤玫.基于組態王的溫室環境自動監控系統監控軟件設計[C]//全國經濟管理院校工業技術學研究會.2012:189-192.