無線環境遠程監控系統

摘 要:傳統的基于有線通信系統的溫度、濕度、光照監測系統需要花費大量的人力物力鋪設線路，施工量大、安裝時間長。介紹一種無線網絡的環境溫度、濕度等因素的監控系統，可以實時多點地監控溫室或其他對環境參數要求嚴格的場所。管理者可以在控制室隨時了解現場的信息，當參數超過設定值時立即進行聲光報警，并在監控主機上顯示發生異常情況的地點。運用虛擬儀器軟件可以實現遠程控制，工作人員不需要到現場就可以馬上采取措施，從而使糧庫、溫室等管理實現自動化、智能化。

關鍵詞:無線收發模塊; 單片機; 神經網絡; 虛擬儀器

中圖分類號:TN915 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0075-03

Long-distance Wireless Monitoring System forEnvironment

YI Wen-yu1， CHEN Wei2

(1. Changzhou Institute of High Industry Technology， Changzhou 213164， China;

2. College of Information and Science， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China)

Abstract: Since the traditional

temperature， humidity and light monitoring systems based on wired communication systems have to spend a lot of manpower and resources for lineslaying， whose construction content is more and installment time is long，

a wireless network monitoring system for the ambient temperature， humidity and other factors is presented. With the real-time multi-point monitoring for greenhouses and other places which require the environmental parameters， managers can comprehend the imformation of the scene in the control room. When the parameter exceeds a set value， acoustooptic alarmis occured immediately， and the monitor shows the location of an irregularity place. With the virtual instrument software it can realize the remote control.

Keywords: wireless transceiver module; MCU; neural network; virtual instrument

0 引 言

環境溫度、濕度、光照等參數在工農業生產和科學研究中是一種十分重要的數據，特別是在糧庫、溫室、大棚等環境中溫度、濕度、光照的測量和控制更為重要。傳統的基于有線通信系統的溫度、濕度、光照監測系統需要花費大量的人力物力鋪設線路，施工量大，安裝時間長，因此基于無線傳輸技術的環境參數監控系統勢在必行。

溫室具有如下特點:非線性、分布不均勻性、時變性、控制時延性、多變量耦合性等[1]。由于作物本身生長活動使得溫室內部的環境處于熱平衡混沌狀態，因此不能按照傳統方法對其建模。執行機構的動作也不僅僅影響某一個因子，可能對溫室的溫度和濕度同時產生影響。總之，溫室溫度和濕度這兩個參數存在較強耦合性，溫度和濕度的變化會相互影響，它們和溫室環境控制的其他因子一起構成了一個包含多方面內容的復雜對象，對其實現精確控制有一定難度，需要系統多方面的有機配合[2]。

1 系統總體設計

該系統運用STC單片機作為控制器件來采集溫度、濕度和光照信息。將采集到的數據送顯示電路顯示，同時與設定的數據進行比較，若超出設定的范圍，則進行聲光報警(設定值可以從鍵盤電路輸入)，而且這些數據通過無線收發模塊送到下位PC機中，下位機利用LabVIEW軟件將各種信息以網頁的形式發布到Internet上，上位機只要輸入下位機發布時網址就可以監測，而且還可以通過界面進行實時的控制，以致能夠實現管理的完全智能化。圖1給出了無線網絡中的2個節點的實現框圖，在這個基礎上給單片機編址可以擴展多個節點，實現多機通訊，從而實現大面積的覆蓋網絡。

2 硬件部分

2.1 溫度和濕度采集電路

溫濕度傳感器采用Sensirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器SHT15。該器件主要特點如下:高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上;提供二線數字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高;測量精度可編程調節，內置A/D轉換器(分辨率為8～12位，可以通過對芯片內部寄存器編程來選擇);測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償的濕度測量值;封裝尺寸超小，測量和通信結束后，自動轉入低功耗模式;高可靠性，采用CMOSens工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中[3]。該器件與控制器的典型接法如圖2所示。

圖1 系統總體原理框圖

圖2 溫濕度傳感器SHT15與MCU的典型接法

2.2 光照采集電路

光照的采集利用光敏電阻和固定電阻分壓得到直流電壓，將其送入STC單片機自帶的A/D輸入端進行模數轉換。電壓范圍為4~5 V，3~4 V，2~3 V，1~2 V，0~1 V，正好對應光照的5個等級:強、較強、中等、較弱和無光。光敏電阻選用GL3516，其最大直流電壓為100 V;最大功耗為50 mV;可以在-30～+70 ℃環境中正常工作;亮電阻在5~10 kΩ范圍內，暗電阻在0.6 MΩ左右;響應時間為30 ms，由上述參數可以看出完全滿足要求。

2.3 無線模塊

該設計中選用KYL-1020U無線數傳模塊，其具有載波頻率為433 MHz，450 MHz，470 MHz，868 MHz，915 MHz等ISM頻點;具有RS 232，TTL，RS 485等通訊接口，這里選用RS 232接口;8個通訊信道，收發一體，半雙工工作模式;低功耗，并具有休眠功能;工業級工作溫度為-35～+75 ℃;天線阻抗為50 Ω;符合EN 300220 and ARIB STD-T67標準。DC 5 V電源供電(3~5.5 V均能正常工作);輸出功率小于10 mW;接收電流小于20 mA(TTL接口);傳輸距離可以達到600 m。模塊接口定義如表1所示[4]。

表1 KYL-1020U接口定義

管腳接口名稱功能描述電平備注

1GND電源地

2VCC電源3～5 V

3RXD/TTL數據接收(TTL)TTL

4TXD/TTL數據發送(TTL)TTL

5DGND信號地

6A(TXD)RS 485 A或RS 232-TXD

7B(RXD)RS 485 B或RS 232-RXD

8SLEEP休眠控制TTL低電平有效

9TEST內部測試

3 軟件部分

3.1 單片機軟件設計

STC單片機C51，運用KEIL軟件進行程序的編寫。單片機主要完成數據的采集，然后顯示，監控，將數據通過無線收發模塊發送給下位機PC機。A/D轉換的子程序如下:

int get_AD_result(char channel)

{ int finishflag=0; //存儲A/D轉換標志

ADC_DATA=0;

ADC_CONTR=channel;//選擇A/D當前通道

Delay(1);//使輸入電壓穩定

ADC_CONTR|=0x08;//令AD_START=1，啟動A/D

while(finishflag==0)//等待轉換結束

finishflag=(ADC_CONTR0x10); //ADC_FLAG==1;測試轉換是否結束

ADC_CONTR=0xF7;//AD_START==0;關閉A/D轉換

return(ADC_DATA);//返回轉換結果

}

3.2 控制算法設計

對溫室環境中溫度參數、濕度參數和光照的控制的主要思路是將傳感器采集到的溫度值、濕度值和光照信息與系統設定值進行比較計算，求得溫度偏差T和濕度偏差H，根據溫度偏差T和濕度偏差H以及溫度和濕度的耦合關系制定控制規則，由系統經過運算決策，得到系統控制量溫度補償值TB和濕度補償值HB。如果實時溫度超過設定最佳溫度，最佳濕度的允許范圍，此時聲光報警，告知操作人員要進行適當的人工干預來消除報警。系統控制要求和目標:

(1) 系統共有3個參數，即溫度、濕度、光照。

(2) 自動控制溫室內的溫度和濕度，溫度的控制誤差不大于±0.5 ℃。

(3) 系統具有自動控制，控制室遙控兩種工作方式。

(4) 系統具有報警以及參數設置，自主訓練和學習功能。

(5) 系統具有表格、圖形、曲線等顯示和存儲功能。

通過傳感器可以獲得大量的有關溫度、濕度、光強度和時間的樣本數據，這些數據與時間并不是線性關系[5]。基于這些數據，如果能夠找到運用某種算法使溫室溫度逼近于給定的溫度，從而使溫室的環境保持在適宜作物生長的狀態之下。

對溫度控制運用加熱器，濕度采用通風和噴灌裝置，光照主要運用遮陽幕。早期溫室的控制多采用常規的PI或PID來控制，這種控制方法簡單，易于實現。隨著對非線性、時變性、不確定性的難以建立數學模型的控制對象，就難以實現[6-7]。隨著智能控制的發展，特別是神經網絡控制技術的出現，給這類難以解決的問題開辟了一條新的途徑，它能夠處理好時變性、大滯后和耦合性等的復雜系統控制問題。

BP網絡訓練過程及算法流程如圖3所示。

圖3 BP網絡訓練過程及算法流程

神經網絡的一個突出特點就是自學習功能，設微機的基準信號和實際信號的誤差為e(k)，則:

e(k)=r(k)-y(k)(1)

Δe(k)= e(k)-e(k-1)(2)

Δ2e(k)= e(k)-2e(k-1)+e(k-2)(3)

神經網絡通過自己的學習功能，即相應的算法使e逐漸減小，最后達到理想的值[8]。這里的控制對象應為溫室里的環境因子。模糊神經網絡模型在收斂速度和收斂精度方面遠遠超過傳統PID或PD控制器。與傳統的控制方法相比超調量和控制時間都大大減少，系統穩定性明顯增強。

3.3 PC機軟件設計

由于無線模塊選用的是RS 232接口，因此虛擬儀器中的串口通訊通過VISA實現。VISA實質上是I/O接口軟件庫及其規范的總稱[9]。其本身不具備編程能力，它通過調用低層驅動程序來實現對儀器的控制。運用自身帶的網絡發布功能就可以完成網頁的發布，通過參數的設置就可以讓遠程的計算機來訪問，不需要再做成網頁的形式進行發布[10]。發布后的控制面板如圖4所示。

圖4 發布的控制面板網頁

4 結 語

利用單片機采集溫室、糧倉、大棚中的環境因素，并顯示和控制環境因素的變化，同時以無線方式將實時信息上傳到下位PC機;下位機對采集的數據進行適當處理，采用可視化編程語言LabVIEW將各種信息以界面的形式在終端上顯示，還可以利用軟件自身的網絡發布功能將界面以網頁的形式發布，遠程的PC機只要得到操作許可就可以操作整個界面，這樣工作人員不必到現場就可以解決運行過程中出現的錯誤，從而實現管理的自動化、智能化。測控方式的網絡化是未來測控技術發展的必然趨勢，能夠充分利用現有資源和網絡帶來的種種好處，實現各種資源有效合理的配置，同時還可以實現真正意義上的VI。

參考文獻

[1]黃曉因.溫濕度分時段控制研究[J].自控與測量，2003(4):34-36.

[2]高繼森.溫濕度監控系統的研究[J].寧夏大學學報，1995(3):64-65.

[3]Sensirion. Sensirion AG SHT15.PDF[M]. [S.l.]: Sensirion. 2005.

[4]深圳市科易連通訊設備有限公司.KYL-1020U微功率無線數傳模塊[M].深圳:深圳科易連通訊設備有限公司，2006.

[5]王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津:天津大學出版社，1999.

[6]陳海強.BP神經網絡及其應用和其推廣能力的分析[J].德州學院學報，2005，21(4):78-82.

[7]王旭.人工神經網路原理與應用[M].沈陽:東北大學出版社，2006.

[8]鄭明山，湯玉珺.模糊神經網絡控制器算法的研究[J].中國水運，2007(3):114-115.

[9]鄧焱，王磊.LabVIEW 7.1測試技術與儀器應用[M].北京:機械工業出版社，2004.

[10]National Instruments Corporation. LabVIEW express user manual[M]. [S.l.]: National Instruments Corporation， 2003.