基于SPCE061A的蔬菜大棚遠程溫度監測系統

萬海林，毛 哲，張卓然

(武漢工業學院電氣與電子工程學院，湖北武漢430023)

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對綠色健康環保蔬菜的需求不斷增大。季節性蔬菜顯然滿足不了這方面的需求，在這種條件下，蔬菜大棚得到快速發展，各種反季節蔬菜豐富了老百姓的餐桌。溫度對于蔬菜大棚至關重要，合理的溫度環境不僅增加蔬菜的產量更能提高它的質量和營養。因此設計出一個合理的溫度監控系統能夠及時獲悉大棚內部溫度變化，及時做出調整，保證蔬菜品質及菜農收益。本系統利用DS18B20數字溫度傳感器、凌陽單片機SPCE061A及其各個模塊實現溫度數據監測、無線傳輸，以及該數據的保存和異常情況的語音報警［1］。

系統方便靈活，操作簡單，測量精度高，數據通信準確、可靠、及時。應用于蔬菜大棚具有很強的實用性。

1 系統組成

整個監控系統主要由監控中心服務器和終端數據采集設備兩部分組成。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

終端數據采集設備負責采集現場溫度，將數據傳遞給單片機，通過LCD現場顯示溫度與時間，并將數據通過單片射頻收發芯片發送到監控中心服務器中。監控中心服務器可接受相應通信地址的數據并將數據進行顯示和保存。當有異常情況發生時，該服務器會產生語音報警。

2 硬件部分

2.1 終端數據采集設備的硬件組成設計

本系統的終端設備硬件結構框圖如圖2所示。主要包括：溫度傳感器模塊、時鐘模塊、單片射頻收發模塊、液晶顯示模塊、電源模塊和單片機模塊。該設備以凌陽單片機作為控制中心。DS18B20檢測的溫度、DS12887的時鐘信號都通過單片機和金鵬12864液晶顯示器進行溫度時鐘的顯示。與此同時，單片機與nRF2401進行通信，將數據發送到指定地址的nRF2401接收端。

圖2 終端設備結構框圖

2.1.1 單片機模塊

該系統采用凌陽單片機SPCE061A作為微控制器。SPCE061A為凌陽科技新推出的μ’nSPTM內核的高集成度，高性能十六位單片機。此款CPU時鐘范圍：0.32—49 MHz，片內32 kb字的Flash程序存儲器、2 kb字的SRAM數據存儲器，2個16位I/O端口，14個中斷源，1通道專用音頻AD轉換通道，7通道AD轉換通道，內置MIC放大電路和自動增益(AGC)放大電路，2路電流輸出型的DA轉換通道，2個16位通用定時器/計數器，實時實鐘(RTC)，低電壓復位、低電壓監測，內置在線仿真接口(ICE)，具有保密功能，具有WatchDog功能。在該系統中運用此單片機完全可以達到要求。并且該系統具有自身語音功能，不需要接相應外部電路便可實現報警功能。

2.1.2 溫度傳感器模塊

本系統采用 DS18B20數字溫度傳感器。DS18B20為單總線器件，它將溫度測量、信號變換、A/D轉換集成到一個芯片上。測量范圍-55℃至+125℃，此范圍較廣，并且精度為0.5℃。采用TO-92封裝，接口簡單。該系統將DS18B20的數據IO與SPCE061A的IOA15相連，進行數據讀寫。

2.1.3 時鐘模塊

該系統采用DS12887實時時鐘芯片。該芯片最大特點為內置鋰電池，在沒有外電源的情況下可工作10年。因此在該系統掉電時DS12887仍然可以工作，這樣就省去時鐘信號重置的麻煩。另外該芯片可計算到2100年前的秒、分、時、星期、日期、月、年七種日歷信息并帶閏年補償。該芯片與凌陽單片機相連進行時鐘信號的讀寫。

2.1.4 單片射頻收發模塊

該系統采用nRF2401單片射頻收發模塊。該模塊工作于2.4—2.5 GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率發射時，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA，多種低功率工作模式，節能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數據。因此可進行多地址通信，有利于該系統的二次開發。在該系統中，將此模塊與單片機相連進行數據的發送與接收。該系統采用2.40 GHz ISM頻率。

基于以上考慮，系統選用了凌陽單片機和以上各個模塊，其中液晶顯示模塊采用金鵬12864液晶顯示器，電源模塊采用自制5 V電源。

2.2 監控中心服務器的硬件組成設計

該系統的監控中心服務器的硬件設計結構框圖如圖3所示。主要有nRF2401接收模塊、單片機模塊和計算機組成。該服務器負責接收現場數據，并通過串口將數據上傳到PC機進行數據的顯示和保存。

圖3 監控中心服務器結構框圖

3 軟件部分

3.1 終端數據采集設備的軟件設計

根據前面硬件組成設計的方案，制定終端數據采集設備的主要軟件流程圖，如圖4所示。

圖4 終端設備主要軟件流程圖

軟件流程圖中軟件采用凌陽單片機專用平臺，使用C語言進行編寫。終端設備進行初始化操作后，讀取溫度和時間，在接收到握手信號時將溫度變量發送出去。

3.2 監控中心軟件設計

監控中心軟件分為下位機軟件與上位機軟件。其中上位機軟件采用VC++編寫［2-3］，主界面如圖5所示。

圖5 監控中心上位機主界面

在主界面上設有密碼開始、數據顯示和保存。輸入密碼后單擊“開始”，系統即可工作，操作簡便。下位機采用凌陽編程環境進行程序編寫。監控中心在系統初始化后進行等待開始信號，當收到開始信號后，延時10 min發送握手信號并且接收溫度，如果溫度異常則語音報警，并上傳溫度［4］。主要流程圖如圖6所示。

圖6 監控中心下位機軟件流程圖

4 系統的操作說明及調試結果

操作說明：將終端數據采集設備、監控中心下位機上電;打開計算機的“遠程溫度監控系統”軟件，輸入密碼“W”，單擊“開始”按鈕，系統即可工作。每10 min上傳數據一次，單擊“保存”，可將數據保存至“history.txt”的文件中［5］。由此可見，該系統操作簡便。

調試結果：當現場溫度為25.5℃時，終端設備的LCD顯示“當前時間：16：34當前溫度：25.54℃”。監控中心上位機顯示“09-4-1016：3425.54℃”;10 min后上位機又顯示一條信號“09-4-1016：4425.58℃”。當現場溫度超過30.00℃時，中心下位機會發出“溫度過高，請及時采取必要措施”的警報。從調試結果上看系統運行穩定可靠。

5 結束語

該裝置采用基于凌陽16位單片機的遠程監控設計，不僅操作簡便，而且系統穩定性好，測量精確，通信速率快。使用凌陽單片機自帶的語音播報功能，不需要外加語音芯片，實現語音報警，使系統更具智能化、人性化。該裝置還可應用在糧倉、養殖圈舍等與農業林相關的領域，為農林業科技致富提供技術支持。

［1］ 羅亞非.凌陽十六位單片機應用基礎［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［2］ 孫鑫 .VC++深入詳解［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［3］ 張宏林.精通VC++串口通信技術與工程實踐(第3版)［M］.北京：人民郵電出版社 ，2008.

［4］ 項新建.基于多傳感器數據融合的糧食倉庫溫度監測系統［J］.儀器與儀表學報，2003，24(5)：525-527.

［5］ 魏振春.韓江洪，馮琳，等.基于嵌入式IPv6的遠程溫度監測系統［J］儀器與儀表學報，2006，27(6)：182-184.