基于ARM9的大棚遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范治政 劉永春

摘要：設(shè)計(jì)了一種以ARM9處理器作為主控器的監(jiān)控系統(tǒng)，采用高精度溫濕度傳感器DHT11，并結(jié)合LabVIEW虛擬儀器軟件編寫(xiě)上位機(jī)界面，借用LabVIEW中自帶的Web服務(wù)發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)溫濕度參數(shù)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能及時(shí)地采集和顯示大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：ARM9；DHT11；LabVIEW；大棚；溫濕度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）03-0705-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.053

Design of Remote Temperature and Humidity Monitoring system

of Greenhouse based on ARM9

FAN Zhi-zheng， LIU Yong-chun

（School of Automation and Electronic Information， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， Sichuan， China）

Abstract： The paper presented a kind of monitoring system， taking ARM9 processor as the master controller， using high-precision temperature and humidity sensors DHT11，combining with LabVIEW virtual instrument software program PC interface， and borrowing LabVIEW Web service publishing function. The remote dynamic monitoring capabilities of the temperature and humidity inside the greenhouse was realized. Experiments showed that the system can timely collect and display parameters of temperature and humidity inside the greenhouse， thus enabled remote monitoring.

Key words： ARM9； DHT11； LabVIEW； greenhouse； temperature and humidity

在以往的大棚種植過(guò)程中，檢測(cè)溫濕度通常是在大棚內(nèi)懸掛溫度計(jì)，通過(guò)人工計(jì)量的方式進(jìn)行。這種方式效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且易產(chǎn)生差錯(cuò)[1]。晝夜溫濕度變化過(guò)大，將對(duì)大棚作物生長(zhǎng)造成不利的影響，為了提高大棚的生產(chǎn)效率，有必要對(duì)大棚溫濕度進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)采用ARM9作為核心處理器，高精度溫濕度傳感器DHT11作為測(cè)量元件，通過(guò)RS485總線將大棚內(nèi)溫濕度參數(shù)傳回到監(jiān)控機(jī)。監(jiān)控界面采用LabVIEW軟件編寫(xiě)，LabVIEW虛擬儀器內(nèi)部集成了一個(gè)強(qiáng)大的VISA庫(kù)。庫(kù)內(nèi)集成了許多通用儀器接口（GPIB儀器、RS232儀器等），通過(guò)調(diào)用內(nèi)部接口子VI可以輕易地從儀器當(dāng)中讀取需要的數(shù)據(jù)。LabVIEW內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，不用復(fù)雜的TCP編程就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫濕度越界報(bào)警，供監(jiān)測(cè)者判斷并采取相應(yīng)的措施及時(shí)調(diào)整大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)。這種監(jiān)控系統(tǒng)為大棚生產(chǎn)自動(dòng)化提供了有效的手段。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)電路、ARM控制器、RS485總線和監(jiān)控機(jī)構(gòu)成。下位機(jī)以S3C2440處理器為核心，采用DHT11傳感器檢測(cè)大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)，將檢測(cè)到的參數(shù)送到控制器中處理，控制器從參數(shù)中分離出溫濕度參數(shù)，通過(guò)RS485總線發(fā)送給監(jiān)控機(jī)。控制器內(nèi)部能實(shí)現(xiàn)溫濕度報(bào)警和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。監(jiān)控機(jī)通過(guò)RS485和RS232轉(zhuǎn)換電路從串口讀取溫濕度參數(shù)，并將溫濕度值動(dòng)態(tài)地顯示在監(jiān)控界面上。通過(guò)和預(yù)設(shè)參數(shù)作邏輯比較實(shí)現(xiàn)溫濕度報(bào)警。監(jiān)控機(jī)通過(guò)LabVIEW的Web服務(wù)功能將參數(shù)送到網(wǎng)絡(luò)上，供遠(yuǎn)程監(jiān)控者瀏覽和控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制系統(tǒng)

ARM控制系統(tǒng)采用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440低功耗處理器。內(nèi)部資源豐富，支持16/32位指令集。控制器主要包含了電源模塊、RTC時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)電路、復(fù)位電路等。ARM控制器有3通道串口，系統(tǒng)中使用一路串口發(fā)送（接收）數(shù)據(jù)。控制器程序下載和升級(jí)主要通過(guò)控制器所帶的JTAG接口完成。

2.2 溫濕度采集和處理電路

系統(tǒng)采用的數(shù)字式傳感器DHT11，是一款集溫濕度測(cè)量并帶有數(shù)字信號(hào)校準(zhǔn)的傳感器。DHT11是單數(shù)字總線輸出，用一根數(shù)據(jù)線和ARM9通用GPIO口相接就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DHT11測(cè)量濕度范圍為20%～90%RH，溫度范圍為0～50 ℃[2]。使用時(shí)為了避免數(shù)據(jù)傳送時(shí)出現(xiàn)沖突，需在數(shù)據(jù)輸出管腳接10 K上拉電阻。溫濕度采集電路圖如圖2所示。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路和報(bào)警電路

當(dāng)采集到的溫濕度參數(shù)低于（高于）報(bào)警值時(shí)，報(bào)警電路將會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音提示報(bào)警。報(bào)警分為兩種情況，當(dāng)參數(shù)值低于最低設(shè)定值時(shí)，點(diǎn)亮D1同時(shí)蜂鳴器響應(yīng)；當(dāng)參數(shù)值高于設(shè)定值時(shí)，點(diǎn)亮D2同時(shí)蜂鳴器響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)可通過(guò)控制風(fēng)機(jī)和加濕器以調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫濕度。出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，控制系統(tǒng)需要判斷屬于哪一種情況以控制外部設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。控制風(fēng)機(jī)和加濕器的驅(qū)動(dòng)電路基本一致，配置GPF1管腳為輸出，低電平時(shí)光電耦合器接通繼電器開(kāi)始工作。在斷開(kāi)時(shí)為了保護(hù)繼電器，需要在線圈兩端并上一個(gè)IN4007續(xù)流二極管，以達(dá)到消弧的目的[3]。驅(qū)動(dòng)與報(bào)警電路如圖3。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制器軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件流程圖如圖4所示。ARM控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)上電運(yùn)行后，控制器初始化內(nèi)部寄存器；初始化結(jié)束后，讀取傳感器中的溫濕度數(shù)據(jù)。DHT11傳感器是單總線式的傳感器，總線處于空閑狀態(tài)時(shí)為高電平。讀取數(shù)據(jù)前控制器應(yīng)該將總線拉低至少18 ms， 再拉高20～40 ms等待DHT11應(yīng)答。DHT11識(shí)別到應(yīng)答信號(hào)后自動(dòng)拉低總線80 μs，然后再拉高80 μs作為應(yīng)答。

傳感器響應(yīng)后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，一次通信時(shí)間約4 ms，傳輸40位數(shù)據(jù)。前16位數(shù)據(jù)代表濕度參數(shù)，由8位整數(shù)和8位小數(shù)組成；中間16位數(shù)據(jù)代表溫度參數(shù)，由8位整數(shù)和8位小數(shù)組成；最后8位是校驗(yàn)碼數(shù)據(jù)。40位數(shù)據(jù)被ARM控制器分離后會(huì)通過(guò)485總線發(fā)送到上位機(jī)。監(jiān)控者可根據(jù)監(jiān)控情況向控制器發(fā)送指令控制外部設(shè)備。要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)還需初始化串口。通過(guò)Uart0_init（void）子函數(shù)設(shè)置串口工作波特率、發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù)以及中斷方式等。Uart0_send（data）為串口發(fā)送數(shù)據(jù)子函數(shù)，把溫濕度參數(shù)發(fā)送出去。Uart0_recive（cmd）為接收命令函數(shù)，用于接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令。在下位機(jī)內(nèi)部要完成對(duì)溫濕度參數(shù)的判斷，實(shí)現(xiàn)本地自動(dòng)化控制。當(dāng)溫濕度參數(shù)超標(biāo)后，控制器就要驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部溫濕度參數(shù)。調(diào)整以后系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控，出現(xiàn)超標(biāo)情況再次自我調(diào)整。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

控制器把數(shù)據(jù)通過(guò)485總線發(fā)送到上位監(jiān)控機(jī)，上位機(jī)采用串口接收數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)前還要通過(guò)RS485和RS232之間的轉(zhuǎn)換電路。LabVIEW與串口通信有多種方法實(shí)現(xiàn)。利用內(nèi)部自帶VISA庫(kù)或者自編寫(xiě)動(dòng)態(tài)庫(kù)文件可以實(shí)現(xiàn)，也可以采用MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)。利用自帶VISA庫(kù)可以輕易地實(shí)現(xiàn)串口通信，該設(shè)計(jì)采用此種方法和下位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口交換數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件流程圖如圖5。

上位機(jī)上電運(yùn)行后首先對(duì)串口進(jìn)行初始化，調(diào)用VISA Configure Serial Port VI實(shí)現(xiàn)初始化串口，串口波特率、送數(shù)據(jù)位數(shù)等設(shè)置都必須和下位機(jī)一致，否則通信會(huì)出現(xiàn)亂碼[4]。VISA Read VI從串口中把數(shù)據(jù)讀出來(lái)，通過(guò)字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)組中。采用索引數(shù)組的方式把存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀出來(lái)送到對(duì)應(yīng)顯示控件上就可以顯示數(shù)據(jù)。上位機(jī)報(bào)警主要采用的是布爾指示燈，分離出來(lái)的數(shù)據(jù)在顯示的過(guò)程中同時(shí)和設(shè)定值作比較，當(dāng)超標(biāo)時(shí)就點(diǎn)亮報(bào)警燈。報(bào)警后監(jiān)控人員通過(guò)系統(tǒng)前面板上的外部設(shè)備控件控制風(fēng)機(jī)和加濕器以調(diào)整大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)。在監(jiān)控機(jī)上控制風(fēng)機(jī)等設(shè)備主要通過(guò)調(diào)用VISA Write VI實(shí)現(xiàn)，向串口發(fā)送控制命令，發(fā)送完畢之后立即釋放串口資源，以持續(xù)接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)監(jiān)控后面板程序如圖6所示。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

使用LabVIEW虛擬儀器內(nèi)部自帶的Web服務(wù)器功能可以在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布程序前面板的圖像或HTML（超文本連接表示語(yǔ)）[5]。用戶通過(guò)登錄統(tǒng)一的URL地址就可以訪問(wèn)服務(wù)器，并且可以通過(guò)服務(wù)器獲得控制權(quán)限對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。Web服務(wù)支持多種瀏覽方式：①以快照的方式發(fā)布前面板。這種方式只能獲取靜態(tài)的圖像，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，要刷新界面才能獲取到改變的數(shù)據(jù)；②監(jiān)視方式。Web服務(wù)器以固定時(shí)間自動(dòng)刷新；③完全嵌入式發(fā)布。用戶程序以嵌入式的方式發(fā)布到服務(wù)器上，可以實(shí)時(shí)瀏覽變化信息[6]。通過(guò)LabVIEW的Web服務(wù)功能，監(jiān)控人員在異地也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)登錄到控制面板，完成對(duì)整個(gè)大棚的監(jiān)控。

4 系統(tǒng)測(cè)試

啟動(dòng)控制器電源對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)行上位機(jī)軟件實(shí)施對(duì)大棚的監(jiān)控。將監(jiān)控程序通過(guò)Web服務(wù)器發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上檢測(cè)遠(yuǎn)程控制效果。ARM控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能。本地監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖7所示。第一個(gè)波形圖顯示的是相對(duì)濕度情況，能夠?qū)崟r(shí)顯示大棚內(nèi)的濕度情況，濕度超過(guò)上下限值時(shí)系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警。第二個(gè)波形圖代表了溫度曲線，溫度達(dá)到上限值時(shí)（低于下限值時(shí)）系統(tǒng)能夠及時(shí)作出反應(yīng)并報(bào)警。監(jiān)控者通過(guò)前面板上的控制開(kāi)關(guān)，可控制大棚內(nèi)的風(fēng)機(jī)和加濕器工作。

在另一臺(tái)電腦上輸入U(xiǎn)RL地址，登錄到遠(yuǎn)程控制界面查看監(jiān)控情況，可以看出監(jiān)控界面也實(shí)時(shí)反映出了大棚內(nèi)的溫濕度情況。遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)可以向服務(wù)器申請(qǐng)控制權(quán)，用于控制外部設(shè)備。服務(wù)器也可以設(shè)置遠(yuǎn)程登錄機(jī)只有查看權(quán)，不允許對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控圖如圖8所示。

5 小結(jié)

設(shè)計(jì)了一種基于ARM控制器和LabVIEW的大棚溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，硬件部分包括ARM控制器及外圍擴(kuò)展電路，軟件部分包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的連續(xù)測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反映出大棚內(nèi)的溫濕度情況，監(jiān)控界面人機(jī)交互效果良好，便于監(jiān)控人員操作。可實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)中。

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