基于FSK電力載波的溫室大棚數(shù)據(jù)通信與監(jiān)控技術(shù)研究

晏 涌，裴夢(mèng)瑤，劉學(xué)君，魯 瑩，袁碧賢

（北京石油化工學(xué)院 北京 102617）

基于FSK電力載波的溫室大棚數(shù)據(jù)通信與監(jiān)控技術(shù)研究

晏 涌，裴夢(mèng)瑤，劉學(xué)君，魯 瑩，袁碧賢

（北京石油化工學(xué)院 北京 102617）

為了調(diào)節(jié)適合蔬菜、水果生長(zhǎng)的溫室大棚溫度、濕度以及二氧化碳含量等環(huán)境參數(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于電力線通信的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。將每個(gè)溫室大棚設(shè)為分節(jié)點(diǎn)，通過STM32芯片采集各個(gè)物理量參數(shù)后，再通過FSK調(diào)制信號(hào)使用供電線路上傳送給總節(jié)點(diǎn)后，232串口通信傳輸?shù)絇C機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)硬件由電力載波模塊、STM32、MX232、DHT11溫濕度傳感器等組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行可靠。

電力載波；溫室大棚；FSK；串口通信

Abstract:In order to regulate the environment parameters such as temperature，humidity and carbon dioxide content，the environmental parameters monitoring system based on power line communication is designed and developed.The various greenhouse are divided into nodes，various physical parameters are collected through STM32 chip，and then the parameters is transmitted to the total node through the power supply line by using the FSK modulation signal，at last it is transmitted to the PC machine through 232 serial communication to realize the real-time monitoring of the greenhouse.The hardware of the system is composed of power carrier module， STM32， MX232，DHT11 temperature and humidity sensors and so on.The experimental results show that the system is reliable.

Key words:power carrier；greenhouse；frequency-shift keying；serial communication

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，溫室大棚面積占世界第一，但對(duì)溫室環(huán)境因子調(diào)控的不完善，限制了溫室高效化優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，造成溫室栽培的智能化程度非常低[1-2]。

因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化程度，我們需要研發(fā)出成本低、易操作、便于維護(hù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內(nèi)的環(huán)境有利于蔬菜、水果生長(zhǎng)，以達(dá)到低投入、高產(chǎn)出、高回報(bào)的效果[3]。

本次研究項(xiàng)目主要是采用了一種網(wǎng)格化自動(dòng)監(jiān)測(cè)的方案，在蔬菜大棚中裝置一定量、多個(gè)電力載波調(diào)制解調(diào)及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊，通過各種特定的傳感器對(duì)大棚中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端，通過系統(tǒng)自動(dòng)比對(duì)PC端采集數(shù)據(jù)和設(shè)定值，可以判斷蔬菜大棚中的環(huán)境狀態(tài)。單片機(jī)控制繼電器、通風(fēng)電機(jī)、開簾、閉簾電機(jī)等裝置運(yùn)行，自動(dòng)完成大棚中環(huán)境參數(shù)的閉環(huán)控制。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電力載波部分由多個(gè)ARM控制的KQ-330電力載波調(diào)制解調(diào)模塊組成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇傉{(diào)制解調(diào)模塊，最終經(jīng)過串口回到上位PC端，以此實(shí)現(xiàn)了PC端與蔬菜大棚中的各分節(jié)點(diǎn)監(jiān)控平臺(tái)通信與數(shù)據(jù)傳輸。

節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊的主控制板采用STM32單片機(jī)作為處理器，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制其它各個(gè)端口。節(jié)點(diǎn)采集模塊由兩大部分組成：①與ARM連接的各種傳感器，負(fù)責(zé)采集土壤狀況、溫濕度、光照強(qiáng)度、雨量大小以及二氧化碳濃度。②與ARM連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)：加熱繼電器、通風(fēng)、開簾電動(dòng)機(jī)、閉簾電動(dòng)機(jī)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 FSK電力載波通訊模塊

低壓電力線載波通信是指利用已有的低壓配電網(wǎng)作為傳輸媒介，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞和交換的一種通信技術(shù)[4-5]。它最大的優(yōu)點(diǎn)是可以利用已建成的低壓配電網(wǎng)，而不必建設(shè)新的通信網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋范圍廣和連接方便等特點(diǎn)[6-8]。

該系統(tǒng)通過電力載波通訊模塊以低壓電線作為信號(hào)（數(shù)據(jù)）傳輸?shù)拿浇椋⒉捎肍SK調(diào)制方式。

2.1.1 電力線通信技術(shù)

此系統(tǒng)的電力通信模塊調(diào)制采用FSK（Frequency-shift keying）頻移鍵控調(diào)制方式，它是利用基帶數(shù)字信號(hào)離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率來傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

2FSK通信技術(shù)的工作原理是通過載波頻率來傳送數(shù)字消息的，即用所傳送的數(shù)字消息對(duì)載波頻率進(jìn)行控制。數(shù)字調(diào)頻原理上也可通過模擬調(diào)頻法實(shí)現(xiàn)，它有兩種調(diào)制方法：1）利用矩形脈沖序列對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)頻，它是FSK早期采用的方法。2）在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列控制下，通過開關(guān)電路對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。鍵控法的特點(diǎn)是抗干擾和抗衰落的性能強(qiáng)且易于實(shí)現(xiàn)，所以應(yīng)用廣泛[9-12]。

2.1.2 載波模塊引腳說明

KQ330載波模塊引腳如圖2所示。

圖2 載波模塊引腳說明

2.1.3 電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。

圖3 電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

具體收發(fā)過程：?jiǎn)纹瑱C(jī)將信號(hào)輸出，中間經(jīng)過濾波、放大將信號(hào)耦合到220 V電力線中，經(jīng)過電力線傳送另一端又將信號(hào)再次濾波后輸入到載波模塊，經(jīng)過載波模塊解調(diào)，最終得到傳輸信號(hào)。反之，完成接受數(shù)據(jù)。

2.2 溫濕度傳感器

DHT11是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11傳感器包含一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件[13-14]，與高性能8位單片機(jī)相連接。由于DHT11體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，所以該系統(tǒng)選擇DHT11進(jìn)行溫濕度采集。

2.3 MX232

該系統(tǒng)中單片機(jī)與上位PC機(jī)需要進(jìn)行串口通信，但是單片機(jī)采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，而PC機(jī)采用RS－232標(biāo)準(zhǔn)的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，因此要實(shí)現(xiàn)電平匹配，需要在兩者之間接一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片[15]。美信公司MAX232芯片就是專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 V單電源供電。

2.4 ARM

載波通訊控制的核心器件采用STM32F103ZE，它是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3的32位微處理器，最高工作頻率72 MHz，片內(nèi)Flash容量512kByte，片內(nèi)SRAM容量64kByte；具有高性能、低功耗、豐富的片內(nèi)資源等特點(diǎn)。STM32提供了睡眠、待機(jī)、停機(jī)3種低功耗省電模式和靈活的時(shí)鐘控制模式，用戶可合理優(yōu)化系統(tǒng)[16]。

3 軟件的設(shè)計(jì)

3.1 串行異步通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

總節(jié)點(diǎn)通過串口上傳PC機(jī)的數(shù)據(jù)協(xié)議采用232，波特率：115 200，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1 位，校驗(yàn)位：0位。每一幀數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度25個(gè)字節(jié)，如表1所示。

表1 總節(jié)點(diǎn)通過串口上傳PC機(jī)的數(shù)據(jù)協(xié)議

PC機(jī)串口下傳控制指令到總節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)協(xié)議總長(zhǎng)度 22字節(jié)，如表2所示。

表2 PC機(jī)串口下傳控制指令到總節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)協(xié)議

PC機(jī)對(duì)總節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求協(xié)議，如表3所示。總長(zhǎng)度10個(gè)字節(jié)，0-1字節(jié)為開始符，2-3字節(jié)為IP地址位，4-5字節(jié)為命令類型，6為請(qǐng)求命令，7字節(jié)為校驗(yàn)碼是模256求和，協(xié)議8-9字節(jié)為結(jié)束符。

表3 上位機(jī)對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)請(qǐng)求協(xié)議

3.2 串口通信軟件設(shè)計(jì)

總節(jié)點(diǎn)的串口通信流程是當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先進(jìn)行初始化，然后判斷PC機(jī)是否下發(fā)控制指令，若是則下發(fā)到對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)，若否或已下發(fā)完控制指令則發(fā)送第n個(gè)子節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)指令，判斷地址是否匹配，如果否，則回到上一級(jí)判斷指令，如果是總節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，之后判斷是否接收到子節(jié)點(diǎn)串口數(shù)據(jù)，如果否，則繼續(xù)返回判斷，如果是，則接收子節(jié)點(diǎn)串口數(shù)據(jù)，并判斷接收是否結(jié)束，如果否，則返回判斷是否接收到子節(jié)點(diǎn)串口數(shù)據(jù)，如果是，則給PC機(jī)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，子節(jié)點(diǎn)編號(hào)加1，回到程序的大循環(huán)起點(diǎn)，判斷是否有PC機(jī)下發(fā)的控制指令，如圖 4（a）所示。

子節(jié)點(diǎn)的串口通信流程是當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先進(jìn)行初始化，然后一直進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，判斷是否有控制指令，如果是，則控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作，然后判斷是否收到主節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求；如果否，直接判斷是否收到主節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，如果是，則上傳該子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果否，則返回程序起點(diǎn)，如圖4（b）所示。

3.3 DHT11溫濕度采集

DHT11與CPU之間的通信采用單總線數(shù)據(jù)格式。空閑時(shí)總線為高電平，需要讀取DHT11測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)（MCU）拉低18 ms等待DH11響應(yīng)，延時(shí)等待 20～40 μs ，DHT11 發(fā)送 80 μs左右的低電平響應(yīng)信號(hào)，待主機(jī)讀取DH11響應(yīng)信號(hào)后，DHT11再拉高總線80 μs左右，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳送，每次通信都是高位先出的順序傳輸40位數(shù)據(jù) （包括16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和），等數(shù)據(jù)傳送完畢，DHT11拉低總線50 μs，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)[17]。

圖4 電力載波通信系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)載波模塊發(fā)送“1”時(shí)產(chǎn)生122.8 kHz左右頻率方波，發(fā)送“0”時(shí)產(chǎn)生131.6 kHz左右頻率方波，時(shí)域波形如圖5所示，頻譜圖如圖6所示。并且可以成功采集到室內(nèi)溫濕度，如圖7所示。

圖5 載波模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)域波形圖

圖6 載波模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的頻譜圖

圖7 串口調(diào)試采集數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

文中研究并實(shí)現(xiàn)了蔬菜大棚的溫濕度數(shù)據(jù)的采集和傳送，硬件由控制器、傳感器、電力載波通訊模塊、繼電器等構(gòu)成，通訊調(diào)制方式采用FSK。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過載波模塊可以可靠地傳輸，并進(jìn)行過程控制。下一步需要對(duì)電力線通信的距離進(jìn)行研究，進(jìn)一步完善該系統(tǒng)，應(yīng)用在蔬菜大棚的實(shí)時(shí)監(jiān)控中。

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Research on data communication and monitoring technology for greenhouse based on FSK power carrier

YAN Yong，PEI Meng-yao， LIU Xue-jun， LU Ying，YUAN Bi-xian
（Beijing Institute of Petrochemical Technology（BIPT），Beijing102617，China）

TN271+.5

A

1674－6236（2017）19-0148-05

2016-09-06稿件編號(hào)201609038

晏 涌（1972—），女，甘肅臨洮人，碩士，副教授。研究方向：電子技術(shù)、嵌入式開發(fā)等。