基于SPCE061A的蔬菜大棚远程温度监测系统

万海林，毛 哲，张卓然

(武汉工业学院电气与电子工程学院，湖北武汉430023)

随着人们生活水平的不断提高，人们对绿色健康环保蔬菜的需求不断增大。季节性蔬菜显然满足不了这方面的需求，在这种条件下，蔬菜大棚得到快速发展，各种反季节蔬菜丰富了老百姓的餐桌。温度对于蔬菜大棚至关重要，合理的温度环境不仅增加蔬菜的产量更能提高它的质量和营养。因此设计出一个合理的温度监控系统能够及时获悉大棚内部温度变化，及时做出调整，保证蔬菜品质及菜农收益。本系统利用DS18B20数字温度传感器、凌阳单片机SPCE061A及其各个模块实现温度数据监测、无线传输，以及该数据的保存和异常情况的语音报警［1］。

系统方便灵活，操作简单，测量精度高，数据通信准确、可靠、及时。应用于蔬菜大棚具有很强的实用性。

1 系统组成

整个监控系统主要由监控中心服务器和终端数据采集设备两部分组成。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

终端数据采集设备负责采集现场温度，将数据传递给单片机，通过LCD现场显示温度与时间，并将数据通过单片射频收发芯片发送到监控中心服务器中。监控中心服务器可接受相应通信地址的数据并将数据进行显示和保存。当有异常情况发生时，该服务器会产生语音报警。

2 硬件部分

2.1 终端数据采集设备的硬件组成设计

本系统的终端设备硬件结构框图如图2所示。主要包括：温度传感器模块、时钟模块、单片射频收发模块、液晶显示模块、电源模块和单片机模块。该设备以凌阳单片机作为控制中心。DS18B20检测的温度、DS12887的时钟信号都通过单片机和金鹏12864液晶显示器进行温度时钟的显示。与此同时，单片机与nRF2401进行通信，将数据发送到指定地址的nRF2401接收端。

图2 终端设备结构框图

2.1.1 单片机模块

该系统采用凌阳单片机SPCE061A作为微控制器。SPCE061A为凌阳科技新推出的μ’nSPTM内核的高集成度，高性能十六位单片机。此款CPU时钟范围：0.32—49 MHz，片内32 kb字的Flash程序存储器、2 kb字的SRAM数据存储器，2个16位I/O端口，14个中断源，1通道专用音频AD转换通道，7通道AD转换通道，内置MIC放大电路和自动增益(AGC)放大电路，2路电流输出型的DA转换通道，2个16位通用定时器/计数器，实时实钟(RTC)，低电压复位、低电压监测，内置在线仿真接口(ICE)，具有保密功能，具有WatchDog功能。在该系统中运用此单片机完全可以达到要求。并且该系统具有自身语音功能，不需要接相应外部电路便可实现报警功能。

2.1.2 温度传感器模块

本系统采用 DS18B20数字温度传感器。DS18B20为单总线器件，它将温度测量、信号变换、A/D转换集成到一个芯片上。测量范围-55℃至+125℃，此范围较广，并且精度为0.5℃。采用TO-92封装，接口简单。该系统将DS18B20的数据IO与SPCE061A的IOA15相连，进行数据读写。

2.1.3 时钟模块

该系统采用DS12887实时时钟芯片。该芯片最大特点为内置锂电池，在没有外电源的情况下可工作10年。因此在该系统掉电时DS12887仍然可以工作，这样就省去时钟信号重置的麻烦。另外该芯片可计算到2100年前的秒、分、时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿。该芯片与凌阳单片机相连进行时钟信号的读写。

2.1.4 单片射频收发模块

该系统采用nRF2401单片射频收发模块。该模块工作于2.4—2.5 GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率发射时，工作电流只有10.5 mA，接收时工作电流只有18 mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。因此可进行多地址通信，有利于该系统的二次开发。在该系统中，将此模块与单片机相连进行数据的发送与接收。该系统采用2.40 GHz ISM频率。

基于以上考虑，系统选用了凌阳单片机和以上各个模块，其中液晶显示模块采用金鹏12864液晶显示器，电源模块采用自制5 V电源。

2.2 监控中心服务器的硬件组成设计

该系统的监控中心服务器的硬件设计结构框图如图3所示。主要有nRF2401接收模块、单片机模块和计算机组成。该服务器负责接收现场数据，并通过串口将数据上传到PC机进行数据的显示和保存。

图3 监控中心服务器结构框图

3 软件部分

3.1 终端数据采集设备的软件设计

根据前面硬件组成设计的方案，制定终端数据采集设备的主要软件流程图，如图4所示。

图4 终端设备主要软件流程图

软件流程图中软件采用凌阳单片机专用平台，使用C语言进行编写。终端设备进行初始化操作后，读取温度和时间，在接收到握手信号时将温度变量发送出去。

3.2 监控中心软件设计

监控中心软件分为下位机软件与上位机软件。其中上位机软件采用VC++编写［2-3］，主界面如图5所示。

图5 监控中心上位机主界面

在主界面上设有密码开始、数据显示和保存。输入密码后单击“开始”，系统即可工作，操作简便。下位机采用凌阳编程环境进行程序编写。监控中心在系统初始化后进行等待开始信号，当收到开始信号后，延时10 min发送握手信号并且接收温度，如果温度异常则语音报警，并上传温度［4］。主要流程图如图6所示。

图6 监控中心下位机软件流程图

4 系统的操作说明及调试结果

操作说明：将终端数据采集设备、监控中心下位机上电;打开计算机的“远程温度监控系统”软件，输入密码“W”，单击“开始”按钮，系统即可工作。每10 min上传数据一次，单击“保存”，可将数据保存至“history.txt”的文件中［5］。由此可见，该系统操作简便。

调试结果：当现场温度为25.5℃时，终端设备的LCD显示“当前时间：16：34当前温度：25.54℃”。监控中心上位机显示“09-4-1016：3425.54℃”;10 min后上位机又显示一条信号“09-4-1016：4425.58℃”。当现场温度超过30.00℃时，中心下位机会发出“温度过高，请及时采取必要措施”的警报。从调试结果上看系统运行稳定可靠。

5 结束语

该装置采用基于凌阳16位单片机的远程监控设计，不仅操作简便，而且系统稳定性好，测量精确，通信速率快。使用凌阳单片机自带的语音播报功能，不需要外加语音芯片，实现语音报警，使系统更具智能化、人性化。该装置还可应用在粮仓、养殖圈舍等与农业林相关的领域，为农林业科技致富提供技术支持。

［1］ 罗亚非.凌阳十六位单片机应用基础［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［2］ 孙鑫 .VC++深入详解［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［3］ 张宏林.精通VC++串口通信技术与工程实践(第3版)［M］.北京：人民邮电出版社 ，2008.

［4］ 项新建.基于多传感器数据融合的粮食仓库温度监测系统［J］.仪器与仪表学报，2003，24(5)：525-527.

［5］ 魏振春.韩江洪，冯琳，等.基于嵌入式IPv6的远程温度监测系统［J］仪器与仪表学报，2006，27(6)：182-184.