基于CR1000 Datalogger的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張亞莉陳海波吳英信,2王鵬程

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；

基于CR1000 Datalogger的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張亞莉1陳海波1吳英信1,2王鵬程3

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；

2.東莞現(xiàn)代產(chǎn)品整理服務(wù)有限公司，廣東 東莞 523000；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)備處，廣東 廣州 510642）

溫度監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和綜合環(huán)境監(jiān)控技術(shù)，提高科學(xué)管理水平和生產(chǎn)效率有重要的意義。本研究采用K型熱電偶作為溫度傳感器，使用美國Campbell Scientific 公司生產(chǎn)的CR1000 Datalogger數(shù)據(jù)采集器，基于LoggerNet 4.1編程軟件，開發(fā)了一個(gè)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集熱電偶溫度傳感器檢測的溫度信號，并與設(shè)定的目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較和判斷，通過兩路繼電器電路控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)程序的判斷結(jié)果分別執(zhí)行加熱和降溫動(dòng)作。設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)使用模擬溫室裝置作為測試環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)時(shí)采集的溫度曲線和目標(biāo)溫度曲線的相關(guān)性達(dá)到了0.99，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對溫室溫度的精準(zhǔn)監(jiān)控。研究結(jié)果可為設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫室的溫度監(jiān)控技術(shù)提供基于Datalogger的解決方案，并為開發(fā)Datalogger在農(nóng)業(yè)水、土、氣各個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)行各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的檢測與控制提供了有益的嘗試。

Datalogger；溫度監(jiān)控；熱電偶；數(shù)據(jù)采集

0　引言

常見的溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用單片機(jī)和PLC等技術(shù)[1～3]，成本低，工業(yè)上應(yīng)用廣泛，但不適合農(nóng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)中對野外惡劣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行長期的測量。Datalogger數(shù)據(jù)采集器是美國Campbell Scientific公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，有完善的產(chǎn)品系列，具有低功耗、精度高、可靠性和適應(yīng)性好等特點(diǎn)，在各項(xiàng)土壤、大氣、海洋環(huán)境測量中有廣泛的應(yīng)用[4,5]。CR1000 Datalogger是Campbell公司數(shù)據(jù)采集器里面性價(jià)比最高的一款，擁有4M內(nèi)存，可用于長期野外環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。本研究基于CR1000和配套的LoggerNet 4.1編程軟件,設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)適用于野外或條件惡劣的環(huán)境條件的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

1　總體方案設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)包括Campbell Scientific公司生產(chǎn)的CR1000數(shù)據(jù)采集器[6]，K型熱電偶，模擬溫室（用于驗(yàn)證試驗(yàn)），繼電器模塊，和臺(tái)式計(jì)算機(jī)（用以安裝LoggerNet軟件），見圖1。

圖1　溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)的組成

測溫元件采用分度號為K的鎳鉻—鎳鋁熱電偶，將被測環(huán)境的溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過CR1000數(shù)據(jù)采集器的信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行處理（濾波、放大、線性化、A/D轉(zhuǎn)換），將模擬信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以處理的數(shù)字信號，進(jìn)行各種分析、處理、存儲(chǔ)，并根據(jù)目標(biāo)溫度進(jìn)行判斷并實(shí)時(shí)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)模擬溫室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本溫度控制系統(tǒng)功能由Datalogger數(shù)據(jù)采集儀及其外圍器件協(xié)同完成。由于在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器的工作電壓為9-16V，所以數(shù)據(jù)采集器通過12V的穩(wěn)壓電源供電，繼電器的工作電壓5V，所以可以通過Datalogger數(shù)據(jù)采集儀穩(wěn)壓電源供電，獨(dú)立鍵盤作為人機(jī)接口，通過數(shù)據(jù)采集儀的I/O口輸入，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制與人工調(diào)節(jié)功能。Datalogger數(shù)據(jù)采集儀將檢測到的溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量在Logger Net 4.1軟件中顯示出來，通過Datalogger數(shù)據(jù)采集儀處理而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)溫度控制功能，用編程來控制加熱燈管和冷卻風(fēng)扇的啟停，可以把所有的當(dāng)前信息很醒目的顯示在屏面上，使用者能直觀進(jìn)行溫度設(shè)置，了解各受控溫室目前的溫度信息。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Datalogger供電為12V的直流電，在野外環(huán)境監(jiān)測中，可使用太陽能板與蓄電池組合供電，本研究在室內(nèi)進(jìn)行，采用了12V蓄電池供電。使用Datalogger數(shù)據(jù)采集儀CR1000可以方便地進(jìn)行串口通信，并且能夠擴(kuò)展更多的 RS232串口。其4M內(nèi)存可擴(kuò)展為2G內(nèi)存，具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并且可通過內(nèi)置集成電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，適于野外長時(shí)間在線檢測的需要。

CR1000數(shù)據(jù)采集儀的模擬通道為8個(gè)差分通道或16個(gè)單端通道來測量電壓信號，分辨率為0.67uV。本實(shí)驗(yàn)只測量溫度一個(gè)參數(shù)，因此只需要一個(gè)通道。8個(gè)數(shù)字控制端口可通過軟件設(shè)置為二進(jìn)制輸入或控制輸出。本實(shí)驗(yàn)需要兩個(gè)數(shù)字控制端口，通過繼電器模塊分別控制冷卻風(fēng)扇和熱鎢燈的開關(guān)。

本文模擬溫室主要由保溫木箱，冷卻風(fēng)扇，加熱鎢燈組成。模擬溫室箱的規(guī)格為70×70×70mm3，其升降溫主要通過風(fēng)扇和熱鎢燈，加熱燈管放置在模擬溫室的底部的中心位置，風(fēng)扇開口在頂部的角落位置。

溫度控制模塊由兩路5V控制220V的繼電器電路通過自行設(shè)計(jì)的接線盒連接工作設(shè)備熱鎢燈和排氣扇。接線盒具有屏蔽外接電信號干擾的功能，并且設(shè)計(jì)有輸入信號、輸入電源和兩個(gè)輸出信號接線口，方便連接、拆卸和移動(dòng)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序的結(jié)構(gòu)如圖2。本系統(tǒng)使用LoggerNet軟件的CRbasic 編譯器來編寫和編譯程序，CRbasic編譯器編譯的程序可以使用記事本文檔來打開并修改。

圖2　系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)

LoggerNet軟件是Campbell公司開發(fā)的一種集通訊和數(shù)據(jù)采集于一體的應(yīng)用軟件，是與該公司的Datalogger產(chǎn)品匹配的軟件。其BASIC-like的程序語言可以支持?jǐn)?shù)據(jù)處理與分析程序。程序的生成和編輯、數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能都是由LoggerNet軟件來實(shí)現(xiàn)。用戶還可以方便地通過該軟件進(jìn)行配置，建立PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集器的連接，發(fā)送采集程序，收集數(shù)據(jù)，觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等。

4　測試與實(shí)驗(yàn)分析

為實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證溫度監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，使用LoggerNet軟件的CRbasic 編譯器編寫程序，按照預(yù)先設(shè)定的圖3中的曲線完成各階段溫度采集和控制功能。首先要求檢測某時(shí)刻模擬溫室箱內(nèi)的溫度，再根據(jù)檢測到的溫度與曲線中的該時(shí)刻目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較和判斷，然后根據(jù)判斷結(jié)果輸出控制信號到CR1000的數(shù)字I/O口，即，當(dāng)溫度大于目標(biāo)溫度則打開制冷風(fēng)扇降溫，反之打開加熱鎢燈升溫，最終實(shí)現(xiàn)260秒的檢測與控制過程。

圖3　溫室溫度監(jiān)控曲線

圖4　軟件記錄的實(shí)時(shí)溫度曲線（采樣間隔為2s）

實(shí)驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，熱電偶溫度傳感器距離加熱燈管6cm。實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)觀察溫度曲線見圖4，圖4的曲線是根據(jù)在實(shí)驗(yàn)過程中，每2s采集一個(gè)樣本點(diǎn)所得的實(shí)時(shí)溫度曲線。

實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出Excel表格中對曲線進(jìn)行了擬合（圖3），粉紅色曲線表示目標(biāo)溫度曲線，黑色曲線為實(shí)際測得的溫度曲線。對兩條溫度曲線進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)，用Excel中的內(nèi)部函數(shù)CORREL對兩組數(shù)據(jù)做檢驗(yàn)，結(jié)果表明，兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性為0.99，說明對曲線的擬合效果較好。

5　結(jié) 論

本設(shè)計(jì)采用K型熱電偶作為溫度傳感器，使用Logger Net編程軟件開發(fā)了基于Datalogger的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，并利用土槽實(shí)驗(yàn)室的模擬溫室箱進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)時(shí)測量的箱內(nèi)實(shí)際溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度曲線相關(guān)性達(dá)到了0.99，本研究中設(shè)計(jì)的基于CR1000 datalogger的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對溫室溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對溫度參數(shù)的監(jiān)控，為溫度監(jiān)控裝置和系統(tǒng)提供了一個(gè)基于Datalogger的解決方案。由于CR1000 datalogger 有16個(gè)單端模擬輸入或8個(gè)差分模擬輸入，在實(shí)際的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中本系統(tǒng)可以進(jìn)一步擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量以及溫室環(huán)境中多參數(shù)測量。

由于Datalogger系列數(shù)據(jù)采集器對于惡劣環(huán)境適應(yīng)性良好，可以根據(jù)實(shí)際需要開發(fā)Datalogger在其它環(huán)境參數(shù)方面的應(yīng)用，開發(fā)包括溫度監(jiān)控在內(nèi)的土壤、大氣和海洋等環(huán)境的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

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（責(zé)任編校：何俊華）

S126

A

1673-2219（2015）05-0041-02

2015－01－20

張亞莉（1975－），女，山東省菏澤人，講師，博士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)情信息快速檢測方法及傳感器研制。