基于CR1000 Datalogger的温室温度监控系统的设计

张亚莉陈海波吴英信,2王鹏程

（1.华南农业大学工程学院，广东 广州 510642；

基于CR1000 Datalogger的温室温度监控系统的设计

张亚莉1陈海波1吴英信1,2王鹏程3

（1.华南农业大学工程学院，广东 广州 510642；

2.东莞现代产品整理服务有限公司，广东 东莞 523000；3.华南农业大学设备处，广东 广州 510642）

温度监控系统对设施农业生产技术和综合环境监控技术，提高科学管理水平和生产效率有重要的意义。本研究采用K型热电偶作为温度传感器，使用美国Campbell Scientific 公司生产的CR1000 Datalogger数据采集器，基于LoggerNet 4.1编程软件，开发了一个实时温度监控系统。该系统能够实时采集热电偶温度传感器检测的温度信号，并与设定的目标温度值进行比较和判断，通过两路继电器电路控制相关执行机构根据程序的判断结果分别执行加热和降温动作。设计的温度监控系统使用模拟温室装置作为测试环境进行了试验，试验结果表明，实时采集的温度曲线和目标温度曲线的相关性达到了0.99，本系统实现了对温室温度的精准监控。研究结果可为设施农业中温室的温度监控技术提供基于Datalogger的解决方案，并为开发Datalogger在农业水、土、气各个领域中进行各项环境参数的检测与控制提供了有益的尝试。

Datalogger；温度监控；热电偶；数据采集

0　引言

常见的温度监控系统采用单片机和PLC等技术[1～3]，成本低，工业上应用广泛，但不适合农业实践活动中对野外恶劣环境参数进行长期的测量。Datalogger数据采集器是美国Campbell Scientific公司生产的数据采集产品，有完善的产品系列，具有低功耗、精度高、可靠性和适应性好等特点，在各项土壤、大气、海洋环境测量中有广泛的应用[4,5]。CR1000 Datalogger是Campbell公司数据采集器里面性价比最高的一款，拥有4M内存，可用于长期野外环境参数的监测。本研究基于CR1000和配套的LoggerNet 4.1编程软件,设计开发了一个适用于野外或条件恶劣的环境条件的实时温度监控系统。

1　总体方案设计

本研究设计的温室温度监控系统包括Campbell Scientific公司生产的CR1000数据采集器[6]，K型热电偶，模拟温室（用于验证试验），继电器模块，和台式计算机（用以安装LoggerNet软件），见图1。

图1　温室温度监控系统的组成

测温元件采用分度号为K的镍铬—镍铝热电偶，将被测环境的温度转换为电压信号，通过CR1000数据采集器的信号调理电路对信号进行处理（滤波、放大、线性化、A/D转换），将模拟信号转换为系统可以处理的数字信号，进行各种分析、处理、存储，并根据目标温度进行判断并实时控制执行机构动作，实现模拟温室内温度的实时监控。

本温度控制系统功能由Datalogger数据采集仪及其外围器件协同完成。由于在系统中数据采集器的工作电压为9-16V，所以数据采集器通过12V的稳压电源供电，继电器的工作电压5V，所以可以通过Datalogger数据采集仪稳压电源供电，独立键盘作为人机接口，通过数据采集仪的I/O口输入，从而实现手动控制与人工调节功能。Datalogger数据采集仪将检测到的温度值转化为数字量在Logger Net 4.1软件中显示出来，通过Datalogger数据采集仪处理而实现相应温度控制功能，用编程来控制加热灯管和冷却风扇的启停，可以把所有的当前信息很醒目的显示在屏面上，使用者能直观进行温度设置，了解各受控温室目前的温度信息。

2　系统硬件设计

Datalogger供电为12V的直流电，在野外环境监测中，可使用太阳能板与蓄电池组合供电，本研究在室内进行，采用了12V蓄电池供电。使用Datalogger数据采集仪CR1000可以方便地进行串口通信，并且能够扩展更多的 RS232串口。其4M内存可扩展为2G内存，具有实时时钟，并且可通过内置集成电路进行温度补偿，适于野外长时间在线检测的需要。

CR1000数据采集仪的模拟通道为8个差分通道或16个单端通道来测量电压信号，分辨率为0.67uV。本实验只测量温度一个参数，因此只需要一个通道。8个数字控制端口可通过软件设置为二进制输入或控制输出。本实验需要两个数字控制端口，通过继电器模块分别控制冷却风扇和热钨灯的开关。

本文模拟温室主要由保温木箱，冷却风扇，加热钨灯组成。模拟温室箱的规格为70×70×70mm3，其升降温主要通过风扇和热钨灯，加热灯管放置在模拟温室的底部的中心位置，风扇开口在顶部的角落位置。

温度控制模块由两路5V控制220V的继电器电路通过自行设计的接线盒连接工作设备热钨灯和排气扇。接线盒具有屏蔽外接电信号干扰的功能，并且设计有输入信号、输入电源和两个输出信号接线口，方便连接、拆卸和移动。

3　系统软件设计

程序的结构如图2。本系统使用LoggerNet软件的CRbasic 编译器来编写和编译程序，CRbasic编译器编译的程序可以使用记事本文档来打开并修改。

图2　系统程序的结构

LoggerNet软件是Campbell公司开发的一种集通讯和数据采集于一体的应用软件，是与该公司的Datalogger产品匹配的软件。其BASIC-like的程序语言可以支持数据处理与分析程序。程序的生成和编辑、数据的采集和实时监控等功能都是由LoggerNet软件来实现。用户还可以方便地通过该软件进行配置，建立PC机和数据采集器的连接，发送采集程序，收集数据，观察实时数据，以及进行数据分析等。

4　测试与实验分析

为实现和验证温度监控系统的各项功能，使用LoggerNet软件的CRbasic 编译器编写程序，按照预先设定的图3中的曲线完成各阶段温度采集和控制功能。首先要求检测某时刻模拟温室箱内的温度，再根据检测到的温度与曲线中的该时刻目标温度值进行比较和判断，然后根据判断结果输出控制信号到CR1000的数字I/O口，即，当温度大于目标温度则打开制冷风扇降温，反之打开加热钨灯升温，最终实现260秒的检测与控制过程。

图3　温室温度监控曲线

图4　软件记录的实时温度曲线（采样间隔为2s）

实验在华南农业大学工程学院土槽实验室进行，热电偶温度传感器距离加热灯管6cm。实时实验观察温度曲线见图4，图4的曲线是根据在实验过程中，每2s采集一个样本点所得的实时温度曲线。

实验所得的数据导出Excel表格中对曲线进行了拟合（图3），粉红色曲线表示目标温度曲线，黑色曲线为实际测得的温度曲线。对两条温度曲线进行相关性统计，用Excel中的内部函数CORREL对两组数据做检验，结果表明，两组数据的相关性为0.99，说明对曲线的拟合效果较好。

5　结 论

本设计采用K型热电偶作为温度传感器，使用Logger Net编程软件开发了基于Datalogger的温度监控系统，并利用土槽实验室的模拟温室箱进行了测试实验。试验结果表明，实时测量的箱内实际温度与设定的目标温度曲线相关性达到了0.99，本研究中设计的基于CR1000 datalogger的温室温度监控系统可以实现对温室温度的实时监控。

本设计实现了对温度参数的监控，为温度监控装置和系统提供了一个基于Datalogger的解决方案。由于CR1000 datalogger 有16个单端模拟输入或8个差分模拟输入，在实际的设施农业生产中本系统可以进一步扩展，实现多点温度测量以及温室环境中多参数测量。

由于Datalogger系列数据采集器对于恶劣环境适应性良好，可以根据实际需要开发Datalogger在其它环境参数方面的应用，开发包括温度监控在内的土壤、大气和海洋等环境的综合监测系统。

[1]关健成,何碧霞.基于单片机的温度检测系统设计[J].传感及检测仪表,2010,(10):64-68.

[2]夏大勇,周晓辉,赵增,等.MCS- 51单片机温度控制系统[J].工业仪表与自动化装置,2007,(1):43-45.

[3]汪海燕.基于PLC的温度控制系统[J].微计算机信息(测控自动化),2009,(25):87-88.

[4]张晓春,石永贵,赵玉成,等.数据记录器DATALOGGER的使用及编程技术[J].青海气象,1988,(1):25-29.

[5]Heather E. Galla, Chad T. Jafverta, Byron Jenkinson. Integrating hydrograph modeling with real-time flow monitoring to generate hydrograph-specific sampling schemes[J].Journal of Hydrology,2010,393(3-4):331-340.

[6]郭安刚,张喜验,綦声波.基于CR1000的海洋剖面测量平台双重数据系统设计[J].海洋科学,2012,36 (7):123-127.

（责任编校：何俊华）

S126

A

1673-2219（2015）05-0041-02

2015－01－20

张亚莉（1975－），女，山东省菏泽人，讲师，博士，主要研究方向为农情信息快速检测方法及传感器研制。