蔬菜大棚温度、湿度传感器检测系统的设计

郭玉萍，杨一平，杨福营

GUO Yu-ping, YANG Yi-ping, YANG Fu-ying

（许昌职业技术学院，许昌 461000）

0 引言

随着人们生活水平的提高，时令蔬菜和反季节蔬菜越来越受到人们的欢迎，而时令蔬菜和反季节蔬菜一般是在大棚中生产的，在大棚蔬菜的生产过程中，蔬菜大棚中温度和湿度指标始终是蔬菜生长的两大重要因素，大棚中的温度和湿度不仅决定蔬菜的生长状况，而且对病虫害防治、蔬菜的质量干系重大，因此蔬菜大棚的温度和湿度检测系统的设计就显得尤其重要了。随着计算机控制技术和通讯技术的发展，对蔬菜大棚的温度和湿度的检测、分布式联片检测、多点检测已成为可能。本文通过传感器技术、短信技术、单片机技术、微机联网技术的应用，设计了蔬菜大棚温度、湿度控制网络，可分布式联片多个蔬菜大棚温度、湿度控制或在一个蔬菜大棚内进行温度、湿度多点控制。

1 系统组成

蔬菜大棚温度、湿度控制系统由以下网络组成：

检测及数据处理网络：主要由温度传感器和湿度传感器、A/D转换、单片机等组成，可通过温度传感器和湿度传感对多个蔬菜大棚分布式联片检测或一个蔬菜大棚内的多点进行检测，从而完成温度和湿度的检测。检测后的数据经过A/D转换输入单片机，单片机完成数据处理功能，单片机输出的温度和湿度信号，通过RS485接口传递给短信GSM网络。

短信网络：短信GSM网络的发送网络把信号发送出去，短信GSM网络的接受网络把信号接受。

主程序运行网络：短信GSM网络的接受网络把接收到的信号通过RS232接口传递给计算机，在计算机内进行数据处理，完成主控程序运行。

控制网络：计算机处理后数据，可控制报警装置、显示装置、打印机等工作，或者控制相应的温度和湿度调整装置进行工作。

2 系统设计

2.1 GSM短信网络设计

GSM短信网络采用厦门宇能电力科技有限公司生产的YN1010—DTU短信模块。YN1010-DTU GSM短信息数据传输模块是由GSM移动通信模块和数据通信处理模块两大部分构成，该模块利用GSM移动通信领域的短信息技术，采用点对点方式实现对带通信功能的终端的数据远程无线传输。模块是以GSM短信息通讯及单片机技术为核心，自动完成短信息管理中心发出的短信息命令的接收解码、终端返回数据的编码发送。 模块采用大规模集成电路技术、单片机控制技术、抗干扰技术及 RS485、RS232通信技术，线路设计和元器件的选择以较大的环境适应性为依据，可保证长期稳定工作。模块具有体积小、重量轻、安装容易，操作简便、可靠性能高、抗干扰能力强等特点[4,5]。

图1 GSM短信网络

YN1010—DTU GSM短信数据传输模块与YN1010短信控制机配合使用组成一套完整的GSM短信数据传输系统：管理中心电脑通过R232接口将终端的命令按通信协议送入YN1100短信控制机，YN1100将命令组合打包通过短信方式传送到YN1010—DTU，YN1010—DTU将接受的数据进行解包校验，并将完整的命令通过RS485或RS232下传到终端，终端返回的数据再通过RS485或RS232送入YN1010—DTU，YN1010—DTU将数据组合打包再以短信方式传输到YN1100短信控制机，YN1100短信控制机将数据解包校验后送入电脑[5-8]，如图1所示。

2.2 集成温度传感器AD590检测电路设计

AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，实际上中国也开发出了同类型的产品SG590，这种器件在被测温度一定时相当于一个恒流源，该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性，性能稳定，灵敏度高，无需补偿，热容量小，抗干扰能力强，可远距离测温且使用方便，即使电源在5-15V 之间变化，其电流只是在1微安以下作微小变化[3]。

AD590是电流型温度传感感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。AD590集成温度传感器电路设计，如图所示。电流型AD59O集成温度传感器是一种输出电流与温度成比例的电流源器件，即输出电流是温度的函数。在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。AD590温度传感器的信号是整个电路的总电源电流，该电流与施加这个电路上的电压源大小无关 (从5伏到15伏左右)，整个电路相当于一个串入使用的温度敏感的恒流源，温度灵敏度为1( A/K)。输出电流I与绝对温度K成正比，若用摄氏温度表示，则要进行转换，关系式为：

I=KTTC+273.2或I=KTTK

式中KT为标定因子，AD590标定因子为1LA，KT为开氏温度，TC为摄氏温度，I的单位为LA，当摄氏温度为零时，输出电流为273.2LA[6]。

AD590温度检测电路，如图2所示。图2中，采用美国德州仪器公司(TI)新近开发的 16 位RISC指令单片机MSP430F149作为中央处理机，它的突出优点是超低功耗和功能集成，非常适合于自动信号采集、液晶显示、智能化仪器等便携式装置中。 MSP430F149 的工作电压 1.8～3.6V，有 5 种超低功耗工作模式可以切换到活动模式，不用扩展系统。单片机MSP430F149有八个通道[1～3]，可以对八个大棚或一个大棚内的八个位置进行检测，AD590检测到的模拟信号通过A/D转换变为数字信号，完成数字采集，通过串行口传递给计算机进行处理和显示。

蒲治宇(1997-)，男，四川工商学院计算机学院学生，主要研究方向为云计算、大数据及计算机算法理论。E-mail:969308497@qq.com；

图2 温度传感器AD590检测电路

MSP430F149与主机的数据通信是通过RS232通信模块实现的。RS232 模块主要由 Maxim 公司的 MAX232/ MAX232A 接收/发送器组成，是Maxim公司特别为满足EIA/TEA 232E的标准而设计的。它们在 EIA/TIA 232E标准串行通信接口中日益得到广泛的应用，功耗低、工作电源为单电源，外接电容仅为 0.1µF或 1µF；采用双列直插封装形式、接收器输出为三态TTL COMS等，为双组RS232接收/发送器，工作电源为+5V，波特率高，价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用。

2.3 集成湿度传感器IH3605检测电路设计

IH3605内部的两个热化聚合体层之间形成的平板电容器电容量的大小可随湿度的不同发生变化，从而可完成对湿度信号的采集[2～11]。热化聚合体层同时具有防御污垢、灰尘、油及其它有害物质的功能。

IH3605的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电源电压升高，输出电压将成比例升高，在实际应用中，通过以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值。

1）首先根据下述计算公式，计算出25℃温度条件下相对湿度RH0。

VOUT=VDC(0.0062RH0+0.16)

其中VOUT为IH3605的电压输出值，VDC为IH3605的供电电压值，RH0为25℃时的相对湿度值。

2）由于在不同温度下湿度传感器的线性率会发生变化，故需进行比例和偏差系数校正[13]。通过进行温度补偿，计算出当前温度下的实际相对湿度值RH。

其中RH为实际的相对湿度值，t为当前的温度值，单位为℃，温度探头采用DS1820,在单片机内将读到的湿度值进行温度校正，得到实际的相对湿度值[4-10]。

由于IH3605的输出电压较高且线性较好，因此电路无需进行信号放大及信号调整，可以将IH3605的输出信号直接接到A/D转换器上，完成模拟量到数字量的转换。由于IH3605的输出信号范围为0.8～3.9V（25℃时），所以选择具有设定最小值和最大值功能的A/D转换器。

IH3605湿度检测电路，如图3所示。其核心器件采用AT89C2051单片机，A/D转换器采用TI公司的TLC1549十位串行A/D转换器，R1、R2、R3设定A/D转换器的最大输入电压，R4、R5、R6设置A/D转换器的最小输入电压，温度探头D2采用DALLAS公司的全数字式测温集成电路DS1820，由P10口读入温度值，在单片机内将读到的湿度值进行温度校正，得到实际的相对湿度值。

图3 湿度传感器IH3605检测电路设计

3 网络连接

图4所示，系统间的通信采用RS485接口[6]。手机模块与单片机、微机之间通讯时，通过手机的通信接口，由单片机控制开、关机和发送、接受短信，因此手机既可以与微机通信，又可以与单片机通信。

图4 网络通信图

4 软件设计

4.1 终端用户软件

终端用户软件设计采用汇编语言，主要完成各种参数的设置、温度检测通道的选择、湿度检测通道的选择、温度和湿度的数据采集、数据处理以及与计算机通过手机短信GMS SMS数据传送等功能，单片机在完成一次数据采集过程后，将数据向上位机传送，传输方式为点对点传输。程序为为模块化结构，各模块之间相对独立，分为初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、显示程序模块、报警模块、数据串行通信程序模块，这样可以使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。其软件流程如图5所示。

4.2 计算机软件设计

图5 软件流程图

计算机采用C语言和汇编语言混合编程，互相融合，共享数据文件，完成手机短信GMS SMS的发送和终端用户数据的传送、温度和湿度的计算及显示、数据存储、系统设置、查询、打印、报警等。

4.3 短息调试

如图6所示，双击SMSTest文件，弹出主界面，在站点SIM卡号文本框中填写YN1010—DTU手机号码；在发送命令文本框中填写用户显示命令；按发送短信按钮发送显示命令；YN1100短信控制机接受数据显示在接受内容文本框中，接受短信手机号码在来信SIM卡号文本框中[5-11]。

4.4 控制网络

控制系统的上位管理计算机采用工控机，安装在控制管理室内，以控制管理室为中心，监控系统主要完成多棚联片温室的温、湿度测控或一棚多点温室的温、湿度测控及管理功能。

图6 短息调试图

每个温室大棚的耳房或单个大棚的监测点内安装有一台智能控制器，与现场温、湿度探头及滴灌控制电磁阀共同组成现场控制站。现场控制站设有手动灌溉系统切换装置，以便在温室断电、现场控制器故障、电磁阀故障等情况出现时使用。RS - 485 总线通信系统选用非屏蔽双绞线，施工布线采取地埋方式，沟深1.5米，有PVC套管保护，并且冗余备用。

5 实验结果

1）利用温度传感器可以采集到具体测试点的温度，测试准确，并通过信号调理电路后传送到单片机进行数据处理，以短信的形式进行发送。

2）利用湿度度传感器可以采集到具体测试点的湿度并校正，测试准确，通过信号调理电路后传送到单片机进行数据处理，以短信的形式进行发送。

3）短信系统进行短信处理，并发送和接受。

4）通过控制中心的管理作用，控制大棚内的温度和湿度，使得大棚内温度、湿度达到蔬菜生长的最佳理想环境。

通过上述网络系统的数据检测、短信的传送，并通过相应的控制系统来实现蔬菜大棚内各点的温度和湿度或不同蔬菜大棚内温度和湿度的控制，较好的完成蔬菜大棚内蔬菜的种植。

6 结论

湿度、温度传感器的应用范围很广，单片机技术的智能控制也配置灵活，短信GSM网络操作更加简便，它们组成的分布式控制系统在联片温室大棚或一棚多点测控项目上的应用，增加了作物产量，减少了病害的发生，避免了因误差或滞后带来的损失，提高了该领域的自动化生产水平，是较为理想的经济型监控装置，并有着广阔的推广应用前景。

[1] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京航空航天大学出版社,2000.

[2] 李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京航空航天大学出版社,2000.

[3] 国外电子元器件.2002,7.

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[5] YN1010使用手册.厦门宇能电力科技有限公司.

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[9] 邬宽明,等.单片机外围元件使用手册—数据传输器件分册.北京航空航天大学出版社,2005.

[10]常建生,等.检测与转换技术[M].机械工业出版社,2003.

[11]HIH系列湿度传感器数据手册.2005,3.

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