基于ARM9的大棚远程温湿度监控系统设计

范治政，刘永春

（四川理工学院自动化与电子信息学院，四川 自贡６４３０００）

摘要：设计了一种以ＡＲＭ９处理器作为主控器的监控系统，采用高精度温湿度传感器ＤＨＴ１１，并结合ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器软件编写上位机界面，借用ＬａｂＶＩＥＷ中自带的Ｗｅｂ服务发布功能，实现了大棚内温湿度参数远程动态监测功能。试验结果表明，系统能及时地采集和显示大棚内的温湿度参数，可实现远程监控。

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关键词 ：ＡＲＭ９；ＤＨＴ１１；ＬａｂＶＩＥＷ；大棚；温湿度

中图分类号：ＴＰ２７７；ＴＰ３６８．１文献标识码：A文章编号：0439－８114（２０15）03－0705-04

在以往的大棚种植过程中，检测温湿度通常是在大棚内悬挂温度计，通过人工计量的方式进行。这种方式效率低下，费时费力，且易产生差错［１］。昼夜温湿度变化过大，将对大棚作物生长造成不利的影响，为了提高大棚的生产效率，有必要对大棚温湿度进行监控。监控系统采用ＡＲＭ９作为核心处理器，高精度温湿度传感器ＤＨＴ１１作为测量元件，通过ＲＳ４８５总线将大棚内温湿度参数传回到监控机。监控界面采用ＬａｂＶＩＥＷ软件编写，ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器内部集成了一个强大的ＶＩＳＡ库。库内集成了许多通用仪器接口（ＧＰＩＢ仪器、ＲＳ２３２仪器等），通过调用内部接口子ＶＩ可以轻易地从仪器当中读取需要的数据。ＬａｂＶＩＥＷ内嵌了ＴＣＰ／ＩＰ协议，不用复杂的ＴＣＰ编程就可以实现网络数据的远程传输。监控系统可实现温湿度越界报警，供监测者判断并采取相应的措施及时调整大棚内的温湿度参数。这种监控系统为大棚生产自动化提供了有效的手段。

１系统结构与工作原理

系统结构图如图１所示。从图１可以看出，监控系统主要由传感器检测单元、驱动电路、ＡＲＭ控制器、ＲＳ４８５总线和监控机构成。下位机以Ｓ３Ｃ２４４０处理器为核心，采用ＤＨＴ１１传感器检测大棚内的温湿度参数，将检测到的参数送到控制器中处理，控制器从参数中分离出温湿度参数，通过ＲＳ４８５总线发送给监控机。控制器内部能实现温湿度报警和自动调节功能。监控机通过ＲＳ４８５和ＲＳ２３２转换电路从串口读取温湿度参数，并将温湿度值动态地显示在监控界面上。通过和预设参数作逻辑比较实现温湿度报警。监控机通过ＬａｂＶＩＥＷ的Ｗｅｂ服务功能将参数送到网络上，供远程监控者浏览和控制。

２系统硬件设计

２．１ＡＲＭ控制系统

ＡＲＭ控制系统采用基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核的Ｓ３Ｃ２４４０低功耗处理器。内部资源丰富，支持１６／３２位指令集。控制器主要包含了电源模块、ＲＴＣ时钟模块、存储电路、复位电路等。ＡＲＭ控制器有３通道串口，系统中使用一路串口发送（接收）数据。控制器程序下载和升级主要通过控制器所带的ＪＴＡＧ接口完成。

２．２ 温湿度采集和处理电路

系统采用的数字式传感器ＤＨＴ１１，是一款集温湿度测量并带有数字信号校准的传感器。ＤＨＴ１１是单数字总线输出，用一根数据线和ＡＲＭ９通用ＧＰＩＯ口相接就可以进行数据传输，ＤＨＴ１１测量湿度范围为２０％～９０％ＲＨ，温度范围为０～５０ ℃［２］。使用时为了避免数据传送时出现冲突，需在数据输出管脚接１０ Ｋ上拉电阻。温湿度采集电路图如图２所示。

２．３驱动电路和报警电路

当采集到的温湿度参数低于（高于）报警值时，报警电路将会驱动蜂鸣器发出声音提示报警。报警分为两种情况，当参数值低于最低设定值时，点亮Ｄ１同时蜂鸣器响应；当参数值高于设定值时，点亮Ｄ２同时蜂鸣器响应。当系统报警时可通过控制风机和加湿器以调节棚内温湿度。出现报警时，控制系统需要判断属于哪一种情况以控制外部设备进行调整。控制风机和加湿器的驱动电路基本一致，配置ＧＰＦ１管脚为输出，低电平时光电耦合器接通继电器开始工作。在断开时为了保护继电器，需要在线圈两端并上一个ＩＮ４００７续流二极管，以达到消弧的目的［３］。驱动与报警电路如图３。

３系统软件设计

３．１控制器软件设计

下位机软件流程图如图４所示。ＡＲＭ控制系统负责温湿度数据的采集和转化。系统上电运行后，控制器初始化内部寄存器；初始化结束后，读取传感器中的温湿度数据。ＤＨＴ１１传感器是单总线式的传感器，总线处于空闲状态时为高电平。读取数据前控制器应该将总线拉低至少１８ ｍｓ， 再拉高２０～４０ ｍｓ等待ＤＨＴ１１应答。ＤＨＴ１１识别到应答信号后自动拉低总线８０ μｓ，然后再拉高８０ μｓ作为应答。

传感器响应后开始传输数据，一次通信时间约４ ｍｓ，传输４０位数据。前１６位数据代表湿度参数，由８位整数和８位小数组成；中间１６位数据代表温度参数，由８位整数和８位小数组成；最后８位是校验码数据。４０位数据被ＡＲＭ控制器分离后会通过４８５总线发送到上位机。监控者可根据监控情况向控制器发送指令控制外部设备。要发送和接收数据还需初始化串口。通过Ｕａｒｔ０＿ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）子函数设置串口工作波特率、发送数据位数以及中断方式等。Ｕａｒｔ０＿ｓｅｎｄ（ｄａｔａ）为串口发送数据子函数，把温湿度参数发送出去。Ｕａｒｔ０＿ｒｅｃｉｖｅ（ｃｍｄ）为接收命令函数，用于接收上位机发送的控制命令。在下位机内部要完成对温湿度参数的判断，实现本地自动化控制。当温湿度参数超标后，控制器就要驱动外部设备自动调节大棚内部温湿度参数。调整以后系统继续监控，出现超标情况再次自我调整。

３．２上位机软件设计

控制器把数据通过４８５总线发送到上位监控机，上位机采用串口接收数据。在接收数据前还要通过ＲＳ４８５和ＲＳ２３２之间的转换电路。ＬａｂＶＩＥＷ与串口通信有多种方法实现。利用内部自带ＶＩＳＡ库或者自编写动态库文件可以实现，也可以采用ＭＳＣＯＭＭ控件实现。利用自带ＶＩＳＡ库可以轻易地实现串口通信，该设计采用此种方法和下位机实现串口交换数据。上位机软件流程图如图５。

上位机上电运行后首先对串口进行初始化，调用ＶＩＳＡ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ ＶＩ实现初始化串口，串口波特率、送数据位数等设置都必须和下位机一致，否则通信会出现乱码［４］。ＶＩＳＡ Ｒｅａｄ ＶＩ从串口中把数据读出来，通过字符串至字节数组转换将数据存储到数组中。采用索引数组的方式把存储数据读出来送到对应显示控件上就可以显示数据。上位机报警主要采用的是布尔指示灯，分离出来的数据在显示的过程中同时和设定值作比较，当超标时就点亮报警灯。报警后监控人员通过系统前面板上的外部设备控件控制风机和加湿器以调整大棚内的温湿度参数。在监控机上控制风机等设备主要通过调用ＶＩＳＡ Ｗｒｉｔｅ ＶＩ实现，向串口发送控制命令，发送完毕之后立即释放串口资源，以持续接收监控数据。系统监控后面板程序如图６所示。

３．３远程监控设计

使用ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器内部自带的Ｗｅｂ服务器功能可以在网络上发布程序前面板的图像或ＨＴＭＬ（超文本连接表示语）［５］。用户通过登录统一的ＵＲＬ地址就可以访问服务器，并且可以通过服务器获得控制权限对系统进行控制。Ｗｅｂ服务支持多种浏览方式：①以快照的方式发布前面板。这种方式只能获取静态的图像，监控数据发生变化时，要刷新界面才能获取到改变的数据；②监视方式。Ｗｅｂ服务器以固定时间自动刷新；③完全嵌入式发布。用户程序以嵌入式的方式发布到服务器上，可以实时浏览变化信息［６］。通过ＬａｂＶＩＥＷ的Ｗｅｂ服务功能，监控人员在异地也可以通过网络登录到控制面板，完成对整个大棚的监控。

４系统测试

启动控制器电源对大棚环境进行检测，运行上位机软件实施对大棚的监控。将监控程序通过Ｗｅｂ服务器发送到网络上检测远程控制效果。ＡＲＭ控制系统运行稳定，能够及时发送数据和接收上位机发送的控制命令，实现自动控制的功能。本地监控系统运行情况如图７所示。第一个波形图显示的是相对湿度情况，能够实时显示大棚内的湿度情况，湿度超过上下限值时系统及时报警。第二个波形图代表了温度曲线，温度达到上限值时（低于下限值时）系统能够及时作出反应并报警。监控者通过前面板上的控制开关，可控制大棚内的风机和加湿器工作。

在另一台电脑上输入ＵＲＬ地址，登录到远程控制界面查看监控情况，可以看出监控界面也实时反映出了大棚内的温湿度情况。远程监控机可以向服务器申请控制权，用于控制外部设备。服务器也可以设置远程登录机只有查看权，不允许对系统进行控制。网页监控图如图８所示。

５小结

设计了一种基于ＡＲＭ控制器和ＬａｂＶＩＥＷ的大棚温湿度远程监控系统，硬件部分包括ＡＲＭ控制器及外围扩展电路，软件部分包括下位机软件和上位机软件设计。通过对系统的连续测试，系统能够实时反映出大棚内的温湿度情况，监控界面人机交互效果良好，便于监控人员操作。可实现对大棚的远程监控，并广泛应用到农业大棚生产中。

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参考文献：

［１］ 余华芳，吴志东，林智涛．蔬菜温室大棚温湿度控制系统［Ｊ］．安徽农业科学，２０１１，３９（２８）：１７６０１－１７６０３．

［２］ 李长有，王文华．基于ＤＨＴ１１温湿度测控系统设计［Ｊ］．机床与液压，２０１３（１３）：１０７－１０８．

［３］ 魏玲，吴敬凯．农业大棚有害气体分布式无线测控系统的设计［Ｊ］．江苏农业科学，２０１３，４１（７）：３８０－３８２．

［４］ 熊伟丽，汤斌斌，陈敏芳，等．基于ＬａｂＶＩＥＷ和Ｗｅｂ技术的水处理远程在线监控系统［Ｊ］．自动化仪表，２０１２，３３（８）：４１－４４．

［５］ 雷振山，赵晨光，魏丽，等．ＬａｂＶＩＥＷ ８．２基础教程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００７．

［６］ 董翰川，郭勇，李文杰．ＬａｂＶＩＥＷ串口通信在数据采集中的应用［Ｊ］．微型机与应用，２０１１（２３）：６３－６４．