浅析智能大棚的激光通信控制技术

王湘林，李仲春

（湖南信息学院，湖南长沙410100）

2004年图灵奖的获得者、著名科学家Vinton cerf在谈及到物联网时，称其是人们（类）在不经意间就完成了对自然的改造并给人们带来益处。随着物联网技术的发展，越来越多地被应用到社会各个方面，而农业与大棚是保证人们基本生活的物质条件和基础，在物联网极速发展推动下，智能大棚的发展日新月异。智能大棚内的自动控制有强电和弱电2种线路，弱电的控制因其电子元件受大棚高湿度环境的影响，引起控制器和线路问题不断，而导致弱电工程通信信息失控，为保证通信正常不影响智能大棚的正常使用，单片机与光通信系统应运而生。其采用一种新型的激光控制方式，作为弱电的通信基础，保证受控器件在一定温度和湿度条件下有效、长期运行。

图1 主电路组成部分

1 主电路工作过程及原理

单片机主要为收集信息并以主机的形式发送控制信息到各个大棚分机，各大棚分机即为接收部分（图1），主机主要收集温度、湿度、天气情况、风力监控等，并将收集到的信息进行运算后通过激光发送器发送控制命令，控制命令针对每个大棚发送通风、加温、加湿、浇水、关闭大棚门道和料模等操作信号，各大棚分机接收到控制信号后通过单片机的计算控制各个模块进行降温、降湿或通风等操作，保证大棚内的温度和湿度，以利于植物生长（图2）。这种光通信的方式可靠而且节省了人工弱电工程布线的成本，有效节约了有色金属的利用，为智能农业大棚增加了新的功能和新的控制方式。

图2 电路收发组成

2 电路收发系统工作过程

2.1 通信过程

由于该系统采用单工通信，故在激光发送器与光靶接收器中采用在发射单片机内部编码再通过I/O口直接进行激光高低电平发射的方法。接收部分通过光感应头接收激光的高低电平并送到接收单片机A/D后转换成高低电平。在光通信进程中直接按协定进行单工通信，无须进行频率合成（图3）。利用串口传统通信方式首先进行编码再进行传输二进制代码的位数，每秒钟传送240个字符，每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，利用奇偶校验在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数；偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。接收字符时，对“1”的个数进行校验，若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。“1”和“0”则对应的是激光亮与不亮。

图3 电路收发系统通信过程

2.2 通信方法

信号通信则是利用逐次逼近的ADC方法[皮卡(Picard，(C.-)é)最早在数学上完善处理这样逐次逼近的函数序列]进行转换。这与使用天平称物重方法非常相似，即从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体轻于砝码，则该砝码移去，换上次重砝码再进行比较；若物体重于砝码，则该砝码保留，再加上第2个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第2个砝码是留下还是移去，以此类推，直到重量最小的砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，得到物体的重量。当激光照射到光接收器时利用逐次逼近的ADC方法进行转换以判断是否为高低电平，与发送进行同步，即每秒钟传送240个字符，接收每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，送到解码器进行解码得出是否需要进行加、减温度、湿度和大棚通风的调整。因在控制过程中会涉及到电能损耗，该系统利用只有调整时才发射信号，而在不进行调整时进入休眠状态。

3 小结

光通信的过程中数据包的收包率大约为70%，而非100%，是由于在实践中使用的是8位单片机STC的型号，其计算方式采用冯·诺依曼结构的处理结构，其指令和数据共享同一总线的结构，而使信息流的传输成为限制系统性能的瓶颈，影响了数据处理的速度。考虑到大棚对控制精度要求不高，而巧妙的运用了光通信和A/D处理技术并在程序的代码中运用了延时的方法来解决丢包的不足。