基于W5100的網(wǎng)絡化溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

白云州

BAI Yun-zhou

（海南大學三亞學院 電子信息工程系，三亞 572000）

0 引言

溫室大棚是農業(yè)的重要組成部分，是解決菜籃子工程的重要項目之一，正朝著自動化和智能化的方向發(fā)展。農作物對生長環(huán)境中的溫度、濕度以及光照都特別敏感，一旦溫室大棚里的這些環(huán)境指標控制不好就很容易導致作物減產(chǎn)，甚至病變死亡的情況。同時，長期以來溫室大棚依靠人工管理，還存在效率低、生產(chǎn)成本高、消耗人力資源等缺點。伴隨著信息技術的推廣，依托計算機和通信科學的智能化管理勢在必行。為實現(xiàn)溫室大棚的信息化管理，采用C/S架構設計了遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，客戶端能將遠程溫室大棚里的實時環(huán)境信息通過計算機網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心的軟件能夠對這些數(shù)據(jù)進行處理、顯示、分析和統(tǒng)計等工作。

1 系統(tǒng)總體設計

圖1 系統(tǒng)總體結構

網(wǎng)絡化溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S架構設計，由多個環(huán)境監(jiān)測點和監(jiān)控中心組成。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

環(huán)境監(jiān)測點主要負責通過傳感器獲取溫室大棚內的溫度、濕度和光強信息，并將這些數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心主要負責接收溫度采集終端返回來的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進行解包、處理、分析、顯示和數(shù)據(jù)備份等功能。采用VC++6.0平臺設計的監(jiān)控軟件具有動態(tài)曲線顯示、系統(tǒng)設置、網(wǎng)絡連接和歷史查詢等功能，該系統(tǒng)能為研究農作物的生長提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

2 環(huán)境監(jiān)測終端硬件設計

環(huán)境監(jiān)測點硬件主要包括嵌入式處理器LPC2129、網(wǎng)絡控制器W5100、溫濕度傳感器SHT11、光強傳感器TSL2561以及報警單元等模塊組成。硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件組成

2.1 處理器LPC2129

LPC2129是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7 TDMI-S的微處理器，其結構是基于精簡指令集計算機原理設計的，采用流水線技術，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作，可實現(xiàn)高達60MHz工作頻率，工作電壓為3.3 V，內核工作電壓僅為1.8V，大大降低了芯片的功耗。并帶有256k字節(jié)嵌入的高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，多達9個外部中斷，多個32位定時器、4路10位ADC；具有 2個16C550工業(yè)標準UART、400 kHz高速I2C接口和2個SPI接口[2]。

LPC2129微處理器作為系統(tǒng)的核心，主要配合其他模塊實現(xiàn)對溫度、濕度、光強的采集、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信和報警等工作。

2.2 網(wǎng)絡控制器W5100

W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡接口芯片，內部集成有10/100M以太網(wǎng)控制器。由于W5100內部集成了全硬件的、且經(jīng)過多年驗證的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質傳輸層MAC和物理層PHY，支持TCP、UDP、IPv4，ICMP、ARP、IGMP和PPPoE。同時W5100內部還集成有16KB存儲器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進行簡單的端口Socket編程，所以在使用W5100的時候，可以在沒有操作系統(tǒng)的平臺上實現(xiàn)Internet連接。主要應用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。

LPC2129與W5100連接非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣。W5100提供了3種接口方式：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線。系統(tǒng)采用的是SPI接線方式，這種方式簡單，只需通過處理器的SPI接口向W5100發(fā)送各種指令即可。

2.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器SHT11將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大，然后進入一個14位的A/D轉換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口SCK和DATA輸出數(shù)字信號，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高。內部結構如圖3所示。出廠前，都會在恒濕或恒溫環(huán)境巾進行校準，校準系數(shù)存儲在校準寄存器中，在測量過程中，校準系數(shù)會自動校準來自傳感器的信號；相對濕度測量范圍為0%～100%，精度為±3.5%；溫度測量范圍為-40～+120℃，精度為±0.5℃，有測量精度高、響應速度快、接口簡單、低功耗等優(yōu)點。

圖3 SHT11內部結構

處理器LPC2129的SCk和DATA接口直接與SHT11對應相接，就可獲得傳感器的溫度和濕度信息，利用降低分辨率的方法提高測量速率，減小芯片的功耗，當測量和通信結束后，其自動轉入低功耗模式。

2.4 光強傳感器

TSL2561是TAOS公司推出的第二代光強數(shù)字轉換芯片，用于將光照強度轉換成數(shù)字信號輸出，具有直接與I2C銜接的接口，具有高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置等優(yōu)點。TSL2561內部連接一個光敏二極管（通道0）和一個紅外響應光敏二極管（通道1）。這個集成電路具有提供20位動態(tài)范圍內近適光響應的能力。兩個集成的積分式A/D轉換器，可將光敏電流轉換成一個數(shù)字輸出，并存入芯片內部通道0和通道1各自的寄存器中，數(shù)字輸出表示測量每一個通道的光強。

微處理器LPC2129可直接通過I2C總線協(xié)議訪問TSL2561，只需將該總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線直接與TSL2561的I2C總線的SCL和SDA線分別相連即可工作，讀寫其內部的16個寄存器的來實現(xiàn)對TSL2561的控制。

3 軟件設計

環(huán)境監(jiān)測客戶端開機后首先進行初始化，然后主動與監(jiān)測中心的服務端建立TCP網(wǎng)絡連接。網(wǎng)絡連接成功后，獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，依次分別獲取溫度、濕度和光強傳感器的輸出值，再將這些數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內預設的環(huán)境參數(shù)范圍作比較，如果某些參數(shù)超出設定的范圍就發(fā)出報警信號，讓工作人員及時調整溫室大棚內的對應環(huán)境參數(shù)，之后將這些數(shù)據(jù)打包并發(fā)送至監(jiān)控中心的服務端，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后將繼續(xù)進入循環(huán)；如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則需要重新初始化程序，直到與服務端建立連接TCP連接后為止。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 測試結果分析

圖5 測試結果

在windows操作系統(tǒng)環(huán)境下，利用VC++6.0編寫溫室大棚監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件主要由溫度、濕度和光強度三個模塊組成的。TCPServer控件作為服務器建立與各溫室大棚環(huán)境監(jiān)測客戶端TCP連接，將來自各監(jiān)測終端數(shù)據(jù)包經(jīng)過分析處理，通過Teechart控件繪制動態(tài)曲線直觀顯示出來。監(jiān)控軟件具有系統(tǒng)設置、網(wǎng)絡連接、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。通過溫室大棚里的溫度數(shù)據(jù)進行測試，采集到的數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

曲線歷史數(shù)據(jù)在2010-09-15日00：00～2010-09-18日16：38：37的歷史值。對實驗結果分析：在夜晚的時候溫室大棚內的溫度會有明顯的降低，到早上10點左右溫度又有明顯的上升，一般在下午2點左右溫度達到最高。根據(jù)農作物對溫度的影響就可以采取有效措施，控制溫度在一定的范圍之內。

5 結論

系統(tǒng)可以24小時實時感知溫室大棚內的溫度、空氣濕度和光照等信息，并通過計算機網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)控中心，從而擺脫了管理溫室大棚監(jiān)測環(huán)境參數(shù)在地理位置上的局限性。該系統(tǒng)經(jīng)過測試，工作穩(wěn)定、監(jiān)測數(shù)據(jù)準確可靠，對具有一定規(guī)模的種植企業(yè)來說，能極大的降低勞動力成本，為研究農作物的生長提供強有力的數(shù)據(jù)支持，進而改變溫室大棚內部的環(huán)境適應作物更好生長。

[1]薛玲,孫曼,張志會.基于單片機AT89S51的溫濕度控制儀[J].化工自動化及儀表,2010,37（7）：66-69.

[2]劉潔,王祖麟,朱順利.基于LPC2138的小型足球機器人控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化2008,30（3）：40-41.

[3]陳德海,梁毓明.低功耗溫室無線測量節(jié)點的設計[J].自動化儀表,2010,31（5）：65-68.

[4]楊明慧,楊鵬,史旺旺.基于TSL2561的無線光強傳感器節(jié)點設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2010（6）：38-40.

[5]張星,王向軍,文鵬程.基于TCP/IP協(xié)議的無線遠程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2008（6）：44-46.