基于無線溫度傳感器和GSM短消息的蔬菜大棚溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計

(淮陰師范學(xué)院 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,江蘇 淮安 223300)

0 引言

對于蔬菜大棚來說,棚內(nèi)蔬菜的生長與溫度息息相關(guān),因此蔬菜大棚最重要的一個管理因素就是溫度控制．溫度太低,蔬菜就會被凍死或則停止生長,溫度過高同樣也會影響蔬菜的生長發(fā)育和產(chǎn)量,所以蔬菜大棚溫度掌控至關(guān)重要．目前我國北方大部分農(nóng)村地區(qū)有很多的蔬菜大棚規(guī)模種植區(qū),這種農(nóng)村種植區(qū)域一般都是以農(nóng)戶為單位組成的,每家農(nóng)戶大約有1～4個蔬菜溫室大棚,在蔬菜大棚里安放水銀溫度計,靠人工觀測溫度,然后通過手動打開和關(guān)閉通風(fēng)口來調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度．雖然目前市場上有很多的蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)[1],此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般采用具有大功率的電加熱裝置或其他投資較大的設(shè)備．因此這類系統(tǒng)的安裝和使用成本很高,一般的農(nóng)戶是承擔(dān)不起的,故而極少使用．由于天氣的影響蔬菜大棚內(nèi)的溫度變化是很迅速的,而蔬菜作物在不同的生長時期對溫度的要求也是很苛刻的,如果棚內(nèi)溫度過高或過低來不及及時處理,不僅影響蔬菜的生長發(fā)育,又易誘發(fā)病害,最終導(dǎo)致作物減產(chǎn),造成經(jīng)濟(jì)損失．蔬菜大棚大都在村外的農(nóng)田遠(yuǎn)離居住地,種植戶由于某些原因不能時時在現(xiàn)場觀測溫度,致使棚里溫度發(fā)生異常,沒有來得及處理造成損失的情況經(jīng)常發(fā)生．因此為了適應(yīng)大多數(shù)普通農(nóng)戶的需求,使農(nóng)戶在投資很小的情況下解決這一問題,本文以低成本的無線收發(fā)芯片A7302A和A7201A為核心設(shè)計出無線溫度傳感器終端,利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò),設(shè)計出了一套組網(wǎng)簡單、安裝使用成本極低的蔬菜大棚溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)．

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要由無線溫度傳感器、無線數(shù)據(jù)采集模塊和GSM短信傳輸模塊構(gòu)成的中心站(以下簡稱中心站)組成,原理框圖如圖1所示．每個中心站可以同時監(jiān)測32個大棚的溫度數(shù)據(jù),每個棚內(nèi)最多可以安裝8個無線溫度傳感器,即每個中心站能檢測和處理最多256無線溫度傳感器的溫度信息．這樣多個用戶可以共用一個中心站,故每戶的使用成本很低．

為了便于用戶安裝使用,無線溫度傳感器采用電池供電．中心站數(shù)據(jù)處理量大且任務(wù)較為繁重,故整體功耗較大,所以采用外接電源適配器供電．

系統(tǒng)的工作原理是:無線溫度傳感器根據(jù)需要分散安裝在大棚內(nèi)部,按照設(shè)定時間間隔采集棚內(nèi)的溫度數(shù)據(jù),并把溫度數(shù)據(jù)通過無線方式上傳至數(shù)據(jù)采集基站．基站根據(jù)約定協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分類,定時把各戶的大棚內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的形式分別發(fā)送至對應(yīng)農(nóng)戶的手機(jī)中．若大棚內(nèi)溫度超過或低于設(shè)定溫度,中心站則立即向農(nóng)戶手機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行報警,及時通知農(nóng)戶進(jìn)行處理．

圖1 監(jiān)測報警系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線溫度傳感器設(shè)計

無線溫度傳感器原理框圖如圖2所示．溫度采集部分選用DS18B20[2-3]溫度傳感芯片,該芯片是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器,具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點,可以直接將溫度信號轉(zhuǎn)化成為串行數(shù)字信號輸出供單片機(jī)進(jìn)行處理．采用該數(shù)字式溫度傳感器可以大大提高溫度測量的可靠性、降低了功耗、縮小了體積．

圖2 無線溫度傳感器原理框圖

無線射頻部分采用中國臺灣笙科電子生產(chǎn)的無線射頻控制芯片A7302A[4],該芯片是一顆高度集成的ASK/FSK發(fā)射芯片,很低的功耗,少許設(shè)置以后內(nèi)建的控制時序自動使A7302A進(jìn)入運行狀態(tài),使得該芯片易于使用和省電．A7302A 支持硬件引腳控制和SPI控制接口,用戶能使用引腳SPIS以選擇接口模式．為了獲得更靈活的配置和控制故采用SPI模式,單片機(jī)PIC16F627A與A7302A采用SPI接口通訊,引腳SPIS接VDD即可使能SPI模式．433MHz是我們國家不用申請的無線發(fā)射接收頻率,可直接使用,因此要把頻率設(shè)置在433MHz的頻點內(nèi)．在SPI模式下寄存器0[4]用于設(shè)置發(fā)射頻率和晶振頻率．發(fā)射頻率計算公式為:FRF=FCrystal*N/2R,其中R值取決于寄存器0的晶振頻率選擇位R[1:0][4]．晶振選用13.56MHz時,R=16,R[1: 0]=[01]．N值取決于寄存器0中NB和NA的值,因此可以通過改變NB和NA的值,就可以得到不同的發(fā)射頻率,在大的蔬菜大棚種植區(qū)域,可以把不同的中心站及其管理的無線溫度傳感器設(shè)置成不同的無線頻率,使其相互隔離運行．對于A7201A芯片,N=(16*NB)+NA其中:NB=46～144,NA=0～15．設(shè)置NB=63,NA=15,所以接收頻率:FRF=FCrystal*N/2R=13.56MHz*(16*63+15)/32=433.49625MHz．通過設(shè)置寄存器1[4]可以控制A7302A的工作狀態(tài),本系統(tǒng)對A7302A設(shè)置為:調(diào)制方式FSK,射頻頻帶433MHZ,待機(jī)時晶振停止,禁止時鐘輸出,最大發(fā)射功率．

單片機(jī)使用美國微芯(Microchip)科技公司生產(chǎn)的,采用納瓦技術(shù)的18 引腳8位CMOS 閃存單片機(jī)PIC16F627A[5-6]．該款單片機(jī)具有1024字節(jié)的FLASH程序存儲器,128字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)保存期40年,1個異步收發(fā)器USART,帶有可編程的片上參考電壓的2路模擬比較器．可工作在8種不同的振蕩模式,具有優(yōu)秀的低功耗功能．當(dāng)電壓為2.0V 時,待機(jī)電流典型值為100nA,看門狗定時器電流典型值為1μA,頻率為32.768 kHz時Timer1 振蕩器電流值為1.2 μA．工作電壓3.0V時,從休眠狀態(tài)喚醒的典型值4 μs．無線溫度傳感器采用電池供電,為了實現(xiàn)設(shè)備的低功耗,本系統(tǒng)中單片機(jī)PIC16F627A使用如下設(shè)置:采用軟件模擬SPI口連結(jié)A7302A,對其進(jìn)行配置．采用異步收發(fā)器USART發(fā)送數(shù)據(jù),也作為信息設(shè)置端口與電腦串行口(COM口)連接進(jìn)行參數(shù)設(shè)置．使能Timer1外部晶振,晶振采用32.768KHz．禁止看門狗,采用2MHz外部XT晶振．A7302A無線射頻電路見圖3．

圖3 A7302A無線射頻電路

2.2 中心站設(shè)計

數(shù)據(jù)采集和GSM傳輸基站(中心站)原理框圖如圖4所示．無線射頻部分采用中國臺灣笙科電子生產(chǎn)的一顆高集成度ASK/FSK射頻接收器A7201A[7],該芯片用于315/434MHz與A7302A 配對使用．

圖4 中心站原理框圖

同樣單片機(jī)STC12C5A08PWM與A7201A采用SPI接口通訊,引腳SPIS接VDD即可使能SPI模式．在SPI模式下寄存器0用于射頻頻率和晶振頻率設(shè)置,具體設(shè)置與A7302A計算公式相同,不同的是NB與NA值在寫入A7201A的寄存器0時要轉(zhuǎn)化成1的補(bǔ)碼形式．通過設(shè)置寄存器1[7]可以控制A7201A的工作狀態(tài),對于本系統(tǒng)對A7201A設(shè)置為:開啟自動增益控制,選擇高端頻帶,禁止時鐘輸出,最小中頻濾波器帶寬,射頻頻帶434MHZ,調(diào)制方式FSK,通過引腳控制芯片使能．A7201A無線射頻電路見圖5．

圖5 A7201A無線射頻電路

單片機(jī)采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12LE5A08S2[8],該單片機(jī)采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核,比普通的8051快8～12倍;1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器,完全滿足中心站數(shù)據(jù)處理的要求;具有2個全雙工異步串行通訊接口(UART),一個與A7201A連接,另一個與嵌入式GSM模塊連接,同時也可以作為中心站信息設(shè)置端口與電腦串行口(COM口)連接進(jìn)行參數(shù)設(shè)置;具有高速SPI串行通訊端口與A7201A連接．另外該單片機(jī)為國產(chǎn),用于本系統(tǒng)具有很高的性價比．

GSM短信模塊通訊采用ZWG-01DP[9]嵌式模塊．該模塊是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司出品的一款嵌入式GSM短信模塊．它具有小巧的體積和靈活的應(yīng)用方式,可以通過異步串口,非常方便的嵌入到用戶的設(shè)備中,該模塊同時提供配置串口和相應(yīng)配置軟件,使用便捷．

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 通訊協(xié)議制定

由于A7302A和A7201A為單純的RF芯片,不會對傳送的數(shù)據(jù)做處理．如果傳送的數(shù)據(jù)中出現(xiàn)連續(xù)多個比特位為“0”或為“1”,在接收端容易引起位漂移造成接收數(shù)據(jù)錯誤[10]．針對這個缺點,因此采用了FSK調(diào)制方式和通過異步串行口(UART)傳送數(shù)據(jù),因為FSK模式在接收端輸出的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定．加上異步串行口每發(fā)送一個字節(jié)的數(shù),都要有一個起始位和停止位,所以連續(xù)的“0”和“1”不多于8個．因此在較高的傳送速率下,有很高的可靠性．為了進(jìn)一步增加傳輸?shù)目煽啃?制定以下傳送規(guī)則．傳送數(shù)據(jù)幀格式見表1.

表1 數(shù)據(jù)幀格式

在傳送數(shù)據(jù)前發(fā)送一串“0”和“1”相間的數(shù)據(jù)作為前導(dǎo)碼,作用是穩(wěn)定接收端,增加接收靈敏度[11],比如0x55、0xAA等．識別碼作用是用于接收端識別數(shù)據(jù)的開頭,最好也是由不連續(xù)的“0”和“1”組成,且不能和前導(dǎo)碼相同．?dāng)?shù)據(jù)區(qū)格式見表2.

表2 數(shù)據(jù)區(qū)格式

數(shù)據(jù)區(qū)第一個字節(jié)中心站ID是表示該無線傳感器屬于哪個中心站管理,只有ID號相同的中心站才會處理該信息．溫度高低字節(jié)為無線傳感器采集的溫度數(shù)據(jù),其中溫度高字節(jié)最高位bit7為“1”時,表示無線傳感器電池的電壓已低于警戒電壓,通知用戶及時更換電池．無線溫度傳感器ID 的高5位(bit7～bit3)是該傳感器所在大棚的編號,低3位(bit2～bit0)是傳感器所在大棚內(nèi)的編號．中心站ID和無線溫度傳感器ID的信息,可以用專門編寫的設(shè)置軟件,通過電腦異步串行口(COM口)[12]連接無線溫度傳感器的設(shè)置端口進(jìn)行設(shè)置,無線溫度傳感器上的單片機(jī)將設(shè)置的信息存放在自身的EEPROM內(nèi),掉電也不會丟失．CRC8用于中心站檢測接收的數(shù)據(jù)是否正確．無線傳感器采集完溫度數(shù)據(jù)按照以上的規(guī)則向中心站發(fā)送數(shù)據(jù),中心站接收數(shù)據(jù)按照規(guī)則,分離出有效數(shù)據(jù),通過計算和比對CRC8校驗碼,檢測數(shù)據(jù)的正確性,對則處理,錯則丟棄．

3.2 無線溫度傳感器軟件設(shè)計

無線溫度傳感器軟件設(shè)計時主要考慮兩點．首先,要把功耗做到最低,延長電池使用壽命;其次,理論上一個中心站最多能同時監(jiān)測255個無線溫度傳感器,因此在這種多點對單點無線通信系統(tǒng)中,要避免多個無線溫度傳感器同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的相互干擾,即防止數(shù)據(jù)碰撞．所以為了解決這兩個問題在軟件設(shè)計時采用的方法是:增加溫度數(shù)據(jù)采集和發(fā)射數(shù)據(jù)時間間隔,每次發(fā)送完數(shù)據(jù)后在固定間隔的基礎(chǔ)上再增加一個隨機(jī)時間段,才進(jìn)入下次發(fā)射．時間間隔選擇不能太短,太短功耗就會增加,也不能太長,太長系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時性就會降低．根據(jù)本系統(tǒng)的特點和實踐經(jīng)驗,采用基本時間間隔為60s,延時時間單位0.1s,隨機(jī)數(shù)范圍0～2047,共2048個發(fā)射點,大大減少數(shù)據(jù)碰撞的概率．因此最小發(fā)射間隔為60s,最大發(fā)射間隔60s+0.1s*2048=264.8s．

無線溫度傳感器上電,MCU完成自身初始化和配置完無線發(fā)射芯片A7302A后,讀取溫度數(shù)據(jù),判斷完電池狀態(tài)后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,發(fā)送完畢后設(shè)置A7302A進(jìn)入睡眠模式,以降低功耗,然后生成一個0～2047范圍的隨機(jī)數(shù),根據(jù)這個隨機(jī)數(shù)設(shè)置Timer1的計時時間,允許Timer1中斷和全局中斷,啟動Timer1定時器,最后MCU進(jìn)入睡眠模式．在MCU進(jìn)入休眠模式前,所有I/O 引腳都應(yīng)該保持為VDD 或VSS 電平,不要有外部電路通過I/O 引腳和比較器消耗電流,同時應(yīng)禁止VREF和一切沒有使用的外設(shè),將電流消耗降至最低．此時MCU外部晶體停振,只有Timer1定時器處于工作狀態(tài),當(dāng)Timer1定時器定時時間到,引發(fā)中斷從而喚醒MCU進(jìn)入工作模式,開始新的一輪數(shù)據(jù)采集與發(fā)送．參數(shù)設(shè)置采用上電檢測設(shè)置開關(guān)狀態(tài),如果是高電平則進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài),否則進(jìn)入正常工作狀態(tài)．程序主流程圖見圖6．

3.3 中心站軟件設(shè)計

中心站的主要任務(wù)是實時接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù),以及利用GSM網(wǎng)絡(luò)向指定用戶手機(jī)以短信的形式發(fā)送信息．中心站MCU的異步串行口采用中斷的方式接收A7201A輸出的數(shù)據(jù),該串行口中斷的優(yōu)先級設(shè)為最高,并且接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)位于片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)區(qū)．串行口中斷服務(wù)程序只需將接收到的數(shù)據(jù)存放于接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū),并修改數(shù)據(jù)指針,不對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．?dāng)?shù)據(jù)處理在主循環(huán)中執(zhí)行,處理完的溫度數(shù)據(jù)以大棚編號和棚內(nèi)編號2維的形式分別存放至擴(kuò)展存儲器XRAM中．最后大棚編號也要與農(nóng)戶手機(jī)號碼,形成一一對應(yīng)關(guān)系．中心站參數(shù)的設(shè)置,同樣采用上電檢測設(shè)置開關(guān)狀態(tài),如果是高電平則進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài),否則進(jìn)入正常工作狀態(tài)．程序主流程圖見圖7．

圖6 無線溫度傳感器程序流程圖

圖7 中心站程序流程圖

4 結(jié)論

通過模擬實驗,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標(biāo)．本系統(tǒng)投資少、安裝靈活、使用簡單、運行成本低,非常適用于廣大農(nóng)村以農(nóng)戶為單位的蔬菜大棚規(guī)模種植區(qū)使用．同時也可應(yīng)用于其他一些需要進(jìn)行遠(yuǎn)程分布式、多點溫度監(jiān)測報警的場合．

[1]張玉峰.基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫度控系統(tǒng)制設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010(3):150-153.

[2]魏俊淦,占超,田建學(xué).DS18B20在溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù),2008(8):3-6.

[3]居榮,郭怡倩.DS18B20在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005(1):224-226.

[4]AMIC Communication Corporation.A7302A/B Preliminary Sub 1GHz ASK/FSK Transmitter[EB/OL].http://www.micrelchip.com,2008-12-4.

[5]Microchip Technology Incorporation.PIC16F627A/628A/648A數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http://www.microchip.com,2009-10-30.

[6]Jasio Di,Wilmshurst Ibrahim.PIC微控制器技術(shù)及應(yīng)用[M].江寧康,朱安定,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2009:101-116.

[7]AMIC Communication Corporation.A7201A/B UHF ASK/FSK Receiver[EB/OL].http://www.micrelchip.com,2008-11-04.

[8]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊[EB/OL].http://www.stcmcu.com,2010-04-21.

[9]廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.ZWG-03A.智能短信收發(fā)設(shè)備產(chǎn)品用戶手冊[EB/OL].http://www.zlgmcu.com,2008-06-26.

[10]AMIC Communication Corporation.AMICCOM RF Chip-A7302 Reference code[EB/OL].http://www.micrelchip.com,2008-05-14.

[11]AMIC Communication Corporation.AMICCOM RF Chip-A7201 Reference code[EB/OL].http://www.micrelchip.com,2008-5-14.

[12]求實科技.單片機(jī)控制技術(shù)與工程實踐[M].北京:人民郵電出版社,2005:131-148.