一种温室监控的嵌入式系统方法

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1、一种温室监控的嵌入式系统方法 - K. Rangan，T. Vigneswaran 摘要温室栽培是指农作物的生长不依赖于自然环境，并在人为控制下使作物生长环境达 到最优的一种方法。目前，基于嵌入式系统的温室调控方法变得非常重要，尤其在监测和 控制温室系统中。小型温室即是典型的例子。首先，它们通常坐落在远处，离住房较远。 其次，植物生长是一个需要 24 小时监测的过程。在本文中， “一种嵌入式系统方法监控温 室”通过利用传感器测量湿度，水的 pH 值，土壤湿度，光照强度和温度等参数进行工作， 这些系统分布在不同地方，用户通过 GPS 调制解调器的 SMS 功能实现对它们的测量，处理， 控制以及更

2、新。.简介 温室是一种供植物生长的建筑设施。它是一个拥有不同类型覆盖材料的结构，如玻璃， 塑料屋顶以及常见的玻璃或塑料的墙壁；由于来自太阳的可见光被建筑内的植物，土壤和 其他东西吸收，温室因而随之升温。玻璃材料不会阻挡这种辐射。温室中升温后的结构和 植物以红外线的形式辐射能量，这些能量无法全部通过玻璃材料，从而被限制在温室内。 虽然由于传导损失了部分能量，但温室中仍然存在能量（温度）的净增长。被来自内表面 的热量升温后的空气被顶端和两壁阻挡在温室里。这些温室结构大小不一，从小的棚室到 极其庞大的建筑。它们都配有各种装备，像筛选，加温，降温，光照设施等，并且可以通 过电脑进行自动控制。 温室监控

3、系统的设计 嵌入式温室监控系统的设计是基于对各种参数的测量，如湿度，温度，水的 pH 值， 土壤湿度和光照强度等，这些参数通过分布在不同位置的传感器进行采集。用户通过 GPS 调制解调器的 SMS 功能对其进行测量，处理，控制以及更新。设计部分包括硬件描述和软 件描述。 A硬件描述 为了对温室调控设计硬件，我们采用了许多传感器来控制温室环境。待测的参数包括 温室本身的室内温度，湿度，水的 pH 值，光照强度和作物生长所需的土壤湿度。温室监 控系统包括传感器电路，PIC 单片机，RS232 串行通信，用于显示参数的 LCD 模块，更新用 户所需的 GSM 调制解调器，移动接收端，以及所需功率供给

4、单元。传感器的输出作为单片 机的输入来控制，显示参数和更新用户。温室系统中任何设定的参数发生变动时，微控制 器将读取信息并定期存储，作为反馈，它通过服务提供者发送 SMS 来更新用户数据。 B软件描述 软件部分的设计思路要求读入参数，显示参数，控制参数并且监控温室系统。软件部 分包括从传感器读入众多的测量值，进行模数转换，在 LCD 模块进行显示，通过发送信息 更新用户数据来调控温室。16F877A 型 PIC 单片机即用来完成 A/D 转换，显示参数和更新 用户数据。程序在 MPLAB IDE 8.4 环境下进行编写，一旦程序在 IDE 下成功组建，它将被 PIC 烧制工具箱烧制到芯片上。.

5、PIC 单片机 温室监控系统所使用的 PIC 单片机型号为 16F877A。它的功能是读入各种参数，完成 A/D 转换以及保存监控程序。它接收来自传感器上的模拟电压信号并将其转换成数字信号。 在转换完成之后，检测感受到的数据是否在规定的参数之内。如果数据不是来自规定的参 数，PIC 单片机会通过 GSM 调制解调器向用户发出相应的错误信息。各种参数的读入程序， A/D 转换程序以及 SMS 发送程序都是在 MPLAB IDE v8.40 环境下采用汇编语言完成编写。.传感器 传感器是指能够测量一种物理量并将其转换为可供观测员或仪器读取的信号的器件。A温度传感器 此处温度传感器电路的核心是 IC

6、 LM35（IC1） ，它由一个线性温度传感器和线性温度 电压转换电路组成。温度在 0C 到 150C 范围内变化时，转换器以毫伏为单位向外输出精 确的线性正比例信号。当环境温度每变化 1 个摄氏度时，输出电压改变 10mV。因此，输 出电压从 0C 时的 0mV 变化到 100C 时的 1V 且任何跨接在输出管脚上的电压测量电路都 能够直接读取温度。温度电压转换器 IC 的输入和接地管脚与稳压电源轨跨接并由 R1 和 C1 去耦。它的温度跟踪输出施加到 IC2 周围比较电路的非反相输入端（pin3） 。IC2 的反向 输入端通过由电位计 VR1 形成的分压器网络跨接到正供电轨上。由于 VR1

7、 的可变端已经连 接到 IC2 的反向输入端，该处管脚的电压呈线性可变。该电压被当作比较器比较 IC1 输出 值的参考值。所以如果 IC2 的非反相输入端接收到一个比预设值低的电压时，它的输出将 呈现低值（大约 650mV） 。这个低的值被加到单片机 A/D 转换的输入端。 BpH 传感器 PH 传感器通过测量由 pH 电极（传感器）产生的电压（电动势）并通过 pH 值的方式 显示 H+的浓度。基本说来，pH 传感器只不过是一个拥有高阻电压计的 pH 探针/传感器， 它能够检测由 pH 探针产生的电压。要使用标准数字电压计（DVM）检测 pH，只需一个前 置的放大器来提供高阻接口以匹配 pH

8、电压的转换系数。这是 pH 计电路图的一个示例。 C光照强度传感器 简易光强传感器可以使用光敏电阻（LDR）搭建。这个简单的电路可以作为一个简单 的光强检测器。当没有光线，一片黑暗的时候，LDR 的阻值非常大，达到兆欧级。此时施 加到三极管 TR1 的基极偏压为零，继电器断开或显示“OFF” 。随着光线级别的增加，LDR 的阻值开始减小，从而引起 V1 处基极偏压的上升。检测由电阻 R1 形成的分压器网络处的 某点，可以发现基极偏压已能够使三极管 TR1 导通，从而使继电器启动来控制一些外置的 电路。当光线重新回到黑暗的时候，LDR 阻值的增加引起三极管基极电压的下降，并使三 极管和继电器在一

9、个固定的光级处停止工作，该光级由分压器网络决定。 D湿度传感器 简易湿度传感器（湿度探针）可以由两个紧密放置但不接触的铜条构成。这个简单的 电路可以作为一个简单的湿度检测器。如果湿度增加，探针的阻值将减小，由 Q1 和 Q2 构 成的施密特触发器将被触发，同时 Q2 的集电极电压下降，从而导致 U1A 和 U1B 组成的 S- R（置位复位）触发器触发。触发之后，继电器将保持接通状态直到按下 SW1 开关来重置 电路。 E土壤湿度传感器 简易土壤湿度传感器（土壤湿度探针）可以由两个放置在土壤下方的铜棒构成。这个 简单的电路可以作为一个简单的土壤湿度检测器。如果土壤变湿，探针的阻值将减小，由 Q

10、1 和 Q2 构成的施密特触发器将被触发，同时 Q2 的集电极电压下降，从而导致 U1A 和 U1B 组成的 S-R（置位复位）触发器触发。触发之后，继电器将保持接通状态直到按下 SW1 开关来重置电路。 .全球移动通信系统（GSM） GSM 是一个蜂窝网络，也就是说移动电话通过搜索最近的单元与之相连。GSM 网络有 5 种不同的蜂窝单元尺寸巨蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝，超微蜂窝和伞蜂窝。不同蜂窝 单元的覆盖范围因环境不同而不同。巨蜂窝可以看作基站天线安装在天线杆或建筑物屋顶 以上的那种。微蜂窝是天线高度低于平均屋顶高度的蜂窝，它们一般用于市区。微微蜂窝 则是很小的蜂窝，覆盖范围只有几十米，主要用

11、于室内。超微蜂窝主要用在家庭或者小型 企业环境，并通过宽带连接到服务端网络。伞蜂窝用来覆盖更小的蜂窝网盲区，填补蜂窝 单元间的信号空白。蜂窝的横向半径范围由天线高度，增益和传播环境决定，可从数十米变化到几十公里。实际使用中，最长的 GSM 规范距离为 35 公里。对扩展蜂窝而言，蜂窝 半径可以达到一倍或者更多，这取决于天线系统，地形以及时间提前量。GSM 采用高斯滤 波最小频移键控（GMSK）的调制方式，它是一种连续相位频移键控调制方式。在 GMSK 中， 基带信号先经过一个高斯低通滤波器进行平滑，然后送到频率调制器中，这样处理能够很 大程度地消除相邻信道间的干扰（相邻信道干扰） 。 AGSM

12、 调制解调器BGSM 调制解调器技术参数 型号： AG-GSM-2303R 技术支持： 基于 WAVECOM 模块 Q2303A 频段： 双频 900/1800MHz SIM 应用工具箱，符合 ETSI GSM Phase2+ 标准 AT 指令： 支持 AT 指令进行远程控制（GSM07.07&；07.05） 接口： 标准 RS232 接口（标准串行口（DB-9） ，支持电源插入的 Mini-SIM 读卡器，SMA 天线连接器） 工作： 发送及接收数据，发送及接收 SMS 数据传送： CSD，14.4kbps；USSD，非透明模式；V.110，支持不同类型 帧模式，如 8N1，7E1 短

13、信服务： 点对点 MO，MT SMS 小区广播文本 PDU 模式 .温室监控系统实现 A软件实现 在软件实现部分，我们使用汇编代码完成温度，水的 pH 值，湿度，土壤湿度，光强 的检测，及在 LCD 模块进行显示，串口通信和向移动接收端发送信息等任务。 B硬件实现 在硬件实现部分，我们在通用印刷电路板上对所需元件进行安装、焊接，并将它们相 互连接。我们为单片机提供+5V 的电源，为传感器电路提供+12V 电源。最后通过串行通信 电缆将温度传感器电路，pH 检测传感器电路，湿度传感器电路，土壤湿度传感器电路，光 强传感器电路好 GSM 调制解调器连接到 PIC 单片机上。. 结果和讨论 经过仿真

14、得到可行的结果，温室调控程序就已经完成。一个开发的硬件工具箱被放到 温室环境中。这个工具箱包括一个供电单元，各种传感器，PIC 单片机，GSM 调制解调器， RS232 串行通信和移动接收器。传感器的输出值持续地施加到 PIC 单片机上。同时，显示 设备在 LCD 模块读入信息。如果单片机检测到错误，它将向 GSM 调制解调器发送 SMS 信 号，GSM 调制解调器向移动接收用户发送信息作为应答。在实际应用中，整个工具箱被固 定在温室系统中。如果温度，pH 值，湿度，土壤湿度和光强等参数从缺省值处发生变化， 移动接收端能够持续地监测和更新。. 总结 多传感器输入，A/D 转换，参数值显示以及向用户发送更新信息等程序在 MPLAB 平台 上成功地被搭建和运行。模拟输入值的输出量可以在 PIC 仿真平台进行可视化显示。A/D 转换程序根据所给模拟量的值将其变换到对应的数字量。将数字量进行比较，检测相应的 参数。如果输出值来自众多的传感器，则通过 PIC 单片机输出管脚上的 LED 灯进行标注。 程序执行所需持续时间也可以在 PIC 仿真平台的帮助下得到。在成功地完成温室监控系统 的工具箱搭建后，即可进行测试。工具箱检测到许多故障参数并通过 GSM 调制解调器的串 行通讯功能将信息更新到移动接收端。