【实战篇】嵌入式开发中必知的集群式通信系统
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ID：技术让梦想更伟大
作者:李肖遥
基于物联网的集群式蔬菜培育管理系统
摘要
本系统是一款基于STC12C5A60S2开发平台，以GSM无线通信技术、传感器技术、单片机技术、Labview技术等为基础，并结合了PID算法的智能大棚控制系统。
系统由上位机信息处理和下位机信息采集两大部分组成。其中下位机由GSM远程控制模块，大棚安防控制模块，大棚实时状态监测模块，可视化界面模块等模块组成。利用传感器技术将大棚内温湿度，光照强度，CO2浓度信息进行实时数据采集并将这些数据通过24L01无线上传。
上位机主要包括信息接收模块和信息处理模块，实现信息的存储、查询和校验等功能。上位机还集成了蔬菜小助手等功能，蔬菜小助手可以查询不同地区，不同蔬菜，不同生长阶段对光照强度、温度、湿度、CO2浓度的不同需求，指导用户科学种植。
上位机通过对下位机传感器采集的各种环境参数的分析，并结合蔬菜小助手里的专业农业知识，做出指令，通过多种方式对灌溉系统，调温系统，补光系统，调湿系统进行控制创造出作物生长发育的环境条件，实现高产优质，高效的生产目标。
该系统在极大程度上降低了人工管理蔬菜系统的劳动强度避免了人工管理大棚专业程度不高，动作不及时等诸多弊端，保证了即使外界环境“电闪雷鸣”大棚内也“风调雨顺”，本系统设计思路清晰，硬件结构简单，系统稳定性好，成本低廉，能耗低，效率高，符合中国气候复杂，经纬跨度大的市场前景。
关键词： STC12C5A60S2单片机、PID、实时监测、远程控制、GSM无线通讯、Labview.
第一章 绪论
随着国家的改革开放，国民经济的飞速发展，中国的现代化水平越来越高。然而作为一个设施园艺面积居世界之首的国家，我国的温室大棚建设却不容乐观，纵观我国现在的温室大棚建设，整体水平还处于人工控制阶段，人工控制具有专业化不高、劳动强度大、监控不及时、管理效率低等众多问题。温室大棚不仅关系到与老百姓生活息息相关的“菜篮子”工程，更关系到我国农业产业化经营和农业现代化的发展。传统的、落后的、分散的、低效的温室大棚生产经营不仅浪费人力、物力和土地资源，而且无法与国际接轨，参与国际市场竞争。因此我们务必要提高智能化在温室大棚中的渗透率，加紧建设智能化蔬菜大棚系统的步伐。
面对巨大的国际竞争我国也加紧了对智能化农业的投入，并也取得了一些成果，但大都逻辑简单，设备大型，先进性不够，利用率低下。监控系统多以单因子为指标。例如范云翔等人研制的智能喷水控制器，虽然能根据外界的环境调节喷水量的大小，但功能单一。现在虽然有很多专家在研究多因子为指标实现大棚环境监测的课题。但都只是提出一个形而上学的概念，根本没有成型的产品更没有相应的科技产业化机构。在国内虽然在一些高科技示范园区能看到智能化蔬菜系统，但这些蔬菜大棚系统造价高，可移植性低，控制中心逻辑简单，体积庞大。根本无法大面积推广。
我们团队在综合考虑了现有的大棚系统存在的问题和温室大棚的发展前景后设计出了智能蔬菜培育系统。本智能蔬菜培育系统的下位机通过传感器监测系统采集大棚内的温湿度，CO2浓度，光照强度，并将这些数据通过无线传送给上位机，上位机对这些数据进行智能分析，并将分析结果与系统自带的农业专家级蔬菜培育意见进行对比并转换成不同的系统指令控制下位机各个模块动作，如，监测到CO2浓度低是开启CO2发生器。为解决管理大棚的人员专业化程度低的问题，我们的上位机特意集成了蔬菜小助手功能，通过这个小助手我们可以查到不同地区，不同蔬菜，不同生长阶段的最佳生长环境参数，指导用户合理栽培蔬菜。此外该系统拥有的天然雨水收集模块和太阳能供电模块不仅符合当代节约环境的主题，还进一步淡化了系统和大棚本身对外界环境的要求。同时考虑到大棚管理人员不能24小时在大棚内，本系统还集成了GSM远程控制模块，将系统接入网络，方便用户远程控制大棚，如在下雨的晚上用户可以通过手机发短信的方式开启天然雨水收集模块。
本系统以EXP-89S51单片机为控制核心，结合GSM无线通信技术、传感器技术、红外技术、Labview技术，主要对蔬菜大棚内的CO2浓度、光照强度、温湿度进行有效、可靠的检测与控制，并通过上位机对数据进行智能化处理，做出农业专家级别的响应。本系统具有检测精度高、使用简单、成本低和工作稳定，功耗低，利用率高，可移植性好，适合中国国土辽阔气候复杂经纬跨度大的特点。
第二章 系统方案
通过实地考察和在网上查询有关蔬菜大棚生产蔬菜的信息，并且对目前存在的蔬菜大棚工作的方式的分析，我们初步设计了系统功能框图如图1所示。
图1系统功能框图
基于上面的系统功能框图我们为系统设计了三种工作模式：
工作模式1（默认工作模式）：
数据采集中心通过24L01无线将采集到的数据发送给数据分析与处理中心和电脑上位机，液晶显示屏实时显示当前环境状况。在这种模式下用户可以通过电脑上位机或红外遥控来操作棚内的各个子系统的运行，如人工补光子系统，温湿度调节子系统，CO2发生器等等。
工作模式2：
此工作模式下，系统功耗最低，用户可以在可以任何有中国联通移动电信的信号的地方通过发送短信控制大棚内的各个设备以及得到当前棚内的各个环境变量的当前值，并可以通过短信发送各个环境变量的目标值给系统，此工作模式下，用户可以极其方便简单的监控整个大棚。
工作模式3：
此工作模式下，大棚无需人为的操作，大棚可以实时测量当前环境变量的值，并与各环境变量的目标值进行比较，然后自动控制各个设备的开与关，如风扇，滴灌子模块，人工补光子模块，CO2发生器，直到当前各个环境参量稳定在各个环境参量的目标值。此工作模式下，节省了大量的人力、物力、财力。同时实现了蔬菜种植的全智能化。
这三种工作模式可以很方便的切换，用户可以根据不同的需要通过红外遥控近距离切换或手机远程切换工作模式。
第三章 功能与指标
| 序号 | 功能名 | 模块具体功能 |
|---|---|---|
| 01 | 安防功能 | 为防止恶意人员进入蔬菜大棚，用户需要输入正确密码才能进入，当密码输入错误次数超过3次，报警器发声，摄像头自动启动录像，用户可以通过电脑上位机查看相关录像 |
| 02 | 蔬菜小助手 | 用户可以通过蔬菜小助手查询各种蔬菜的信息，如最佳生长环境（最佳温湿度，光照强度等等），和生长习性（如每天需要的光照时间，施肥等等），并展示给用户，为用户种植蔬菜给出专业建议大大降低了蔬菜培育的难度和风险 |
| 03 | 液晶显示屏 | 通过该可视化界面显示屏精确测量温湿度，光照强度，CO2浓度，并以数字和曲线形式同时显示，让用户直观了解到大棚内的环境变化趋势，同时还可以在屏上直接为系统设置最佳参数（如最佳温湿度等等），此外，通过该界面可直接控制大棚内的设备的运行状态。如水泵、风扇、补光灯等的开启。同时该界面还提供各类信息的查询 |
| 04 | 太阳能供电功能 | 该模块能够把太阳能转化为电能存储在蓄电池里，当蓄电池里的电能足以为整个系统供电时，系统的电源管理部分会自动将供电部分从市电切换到太阳能电源部分，不仅节能，充分利用大自然资源，还增强了系统的环境适应性，使系统在停电时仍能正常运行 |
| 05 | 温度PID调节 | 为精确控制温度在最佳值附近，引入智能算法PID进行闭环控制，当温度高于最佳值时，风扇运行，随着温度的降低，风扇的转速也会发生相应改变，此方法不仅调节效果好，而且功耗也大大降低 |
| 06 | 上位机VI | 上位机可以形象直观的将各个环境变量如温湿度，光照强度，CO2度以曲线形式实时准确显示，并可以通过这些曲线分析大棚内的气候变化趋势，同时采取一些措施加以调节，如开关风扇，喷泉，灯光等等。此外，上位机还可以进行数据报表打印，为用户查询历史数据提供了极大方便 |
| 07 | GSM短信模块 | 当用户在异地时，可以通过GSM无线通讯，发送短信远程控制大棚的各个设备，如风扇的开关，水雾的喷洒等等，也可短信接收当前大棚内的各个环境变量，如当前温度，湿度，CO2浓度，光照强度等等 |
| 08 | 步进电机模块 | 用来开关大棚的门和通风口 |
| 09 | 天然雨水收集模块 | 为节约水资源，降低生产成本，当下雨的时候，把天然雨水收集起来，以备蔬菜在需要水的时候及时供给，因此也大大提高了灌溉效率和缓解了水资源日趋紧张的矛盾 |
第四章 实施原理及过程
4.1传感器原理
4.1.1温湿度传感器SHT11
SHT11是一款高度集成的数字温湿度传感器，采用专利的CMOSens技术，可抵御来自外界的影响，即使将传感器浸入到液体中也不会受到损害；此外，温度传感器与湿度传感器结合在一起，使测量精度提高并且可以精确得出露点值，并且不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A／D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。
SHT10的主要特点如下有：
相对湿度和温度的测量兼有露点输出；
全部校准，数字输出；
接口简单(2-wire)，响应速度快；
超低功耗，自动休眠；
出色的长期稳定性；
超小体积(表面贴装)；
测湿精度±4．5 RH，测温精度0．5 ℃(25℃)。
SHT10的两线串行接口(bidirectional 2-wire)在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似IIC总线但并不兼容IIC总线。
① 串行时钟输入(SCK)。SCK 引脚是MCU 与SHTIO之间通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。
② 串行数据(DATA)。DATA引脚是1个三态门，用于MCU与SHT10之间的数据传输。DATA的状态在串行时钟SCK的下降沿之后发生改变，在SCK的上升沿有效。在数据传输期间，当SCK为高电平时，DATA数据线上必须保持稳定状态。为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。该传感器的性能说明和相对湿度、温度和露点的精度曲线如下图所示：
4.1.1.2光照强度传感器GY-30
GY-30是一款高度集成的数字光照强度传感器，采用I2C接口（f/s模式支持），测量范围广（1-65535勒克斯），并且具备低电流关机功能，该传感器的说明图如下图所示：
4.1.1.3二氧化碳传感器TGS4161
TGS4161是一个新型的固体二氧化碳传感器，它提供了小型化和低功耗，二氧化碳浓度测量范围为350—10000ppm。二氧化碳的敏感元件是由两个固态电解质组成，结合一个印制在基板上的RuO2加热器，通过检测两个电极之间的电动势的变化来测试二氧化碳气体的浓度，此外传感器电容的顶部含有沸石用来防止其他气体（如乙醇）的干扰。TGS4161在读数上ΔEMF（ElectroMotive Force:电动势）和二氧化碳气体浓度提供了对数上的线性关系。传感器在高湿度的条件下显示出了良好的长期稳定和优越的耐久性。其灵敏度特性图如下图所示：
4.2．GSM
系统使用的GSM模块是双频900/1800MHZ高度集成的SIM900系列。SIM900A无线GSM通信模块，集成了标准的RS232接口以及SIM卡，其最高频率可达90MHz，片内4K以上FLASH程序存储器，8K左右的片内EEROM ，512B-1208B片内RAM，36个IO口。通过使用sim900a无线GSM通信模块，用户可以远程切换蔬菜大棚内的工作模式，了解大棚内各环境参数并调节。
4.3摄像头远程监测模块
通过组建局域网，将摄像头与电脑通信，管理人员通过电脑上的上位机软件可以调节摄像头监测角度，方便用户远程直观了解棚内蔬菜的生长态势。同时，为了防止有人恶意进入大棚，当有人通过非输入密码方式强行进入大棚时，摄像头模块对该人进行录像并存储在SD卡中，录像可通过电脑上位机软件查询。
4.4太阳能供电模块
太阳能光伏发电根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳能直接转换为电能，充分利用太阳能资源，符合了当代节约能源的主题。本模块将这些电能存储在蓄电池里面，当检测到蓄电池里面的电能不足以为系统供电时，电源管理模块自动将电源切换到太阳能供电部分，以应对停电等突发状况。
4.5软件系统的实现
4.5.1. 智能控制算法PID
PID算法广泛应用于工业控制当中，其控制算法简单，计算量小，PID的算法公式是：
⊿U(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]
U(n)=⊿U(n)+U(n-1)
e(n) ,e(n-1), e(n-2)就是历史上的三个设定值跟过程值之间的偏差。
本系统采用PID算法来控制温度、湿度、光照强度等等。在保证环境参数稳定在其最佳值附近的同时，使其消耗的能量降到最低。ＰＩＤ算法部分程序如如所示：
4.6系统流程图
4.6.1 从机程序流程图：
4.6.2主机程序框图：
4.6.3PC上位机应用程序流程图（Labview实现）
第五章 硬件框图
本系统硬件部分主要包括：红外遥控模块、蜂鸣器报警器模块、步进电机模块、GSM模块、摄像头模块、光照强度采集模块、温湿度采集模块、CO2浓度采集模块、显示屏模块、温湿度调节模块、光照强度调节模块、CO2浓度调节模块等。主机系统硬件框图如图2所示，从机1硬件框图如图3所示：
主机系统硬件框
从机系统硬件框图
第六章 系统可靠性设计
6.1硬件可靠性设计
单片机硬件系统的抗干扰能力与元器件质量、装配质量等因素都有关系, 但其中起决定性作用的是设计过程，因此我们在设计过程中采用如下方式提高硬件的可靠性:
(1)采用光电隔离；
(2)采用过压保护电路；
(3)采用抗干扰稳压电源；
(4)采用良好的接线。
6.2软件可靠性设计
软件部分的可靠性主要通过抗干扰设计实现，其中本系统的抗干扰部分主要包括以下部分：
(1) 采用数字滤波方法来抑制输入通道的干扰；
(2)对数字输出信号处理；
(3)对部分关键设备的运行状态的监控
(4)采用指令冗余，软件陷阱，“看门狗”等方法避免程序跑飞，提高软件的稳定性
第七章 产品市场前景分析
我国是农业大国，设施园艺面积更是居世界首位，但是在大部分地区温室大棚还是采用很原始的人工管理方式，传统的人工管理模式具有高人力物力投入低产出，抵御自然灾害能力低等诸多弊端。随着设施园艺迅速发展,智能化温室随之而生,它是设施农业中的高级类型,拥有综合环境控制系统，有效的填补的各种人工管理的弊端。然而目前国内虽然出现了一些智能化温室，但核心技术都来源于国外，并且大都造价昂贵，传感器技术一般，系统整体稳定性有待提高，只能用于观光或者科研无法大面积投入使用。
了解到了智能化温室在国内的需求和广阔的商业前景，我们团队成员开发了一款智能蔬菜培育系统。本智能蔬菜培育系统是一款面向普通大棚种植户的多功能型大棚自动化产品，以太阳能和电力作为能源，对大棚作物的光照强度、温度和湿度自动进行调节，同时根据作物的需求自动浇水、调节光照强度、CO2浓度。该产品最大限度的降低了劳动强度和劳动力成本，有效地节约了水资源及肥料费用，实现了科学种植、精确管理、资源优化配置与资源利用最大化。
该系统具有投资成本小，安装简易、设备维修费用低、可升级空间大、与其它设备兼容性好等特点。使用规模亦可大可小，不额外占用作物的土地面积，具有极好的市场适应性。造型简洁大方，美观别致，不受地域限制，非常方便。因此无论用户采用大棚种植蔬菜还是养殖花卉，或者培育幼苗，该设备都普遍适用，应用范围广泛。该智能蔬菜培育系统一旦投入使用，投入成本回拢快，产生的效益可观。有广阔的市场前景。
第八章 特色与创新点
信号采集多元化，国内首次实现将多因子为测控指标传达给控制中枢。将蔬菜大棚内的温湿度，光照强度，CO2浓度集测量与控制于一体，通过PID控制算法实现全自动化实时调节。
数据的采集连续化处理实时化，增强其抵御突发灾害的能力，保证大棚内环境的稳定。技术多元化，结合了GSM无线通信技术、传感器技术、单片机技术等，建立起了监测——控制全自动化的智能蔬菜培育系统；
GSM远程控制模块的引入和局域网技术的融合使该系统更加简单高效的为用户服务。创新性的融合局域网技术使该系统更加符合时代的主流，借助互联网的优势使系统更好地为用户服务。
开发了一款基于Labview的上位机，集接收、显示、查询、统计、报表打印、发布远程控制命令等功能于一体。在VI上可以实时测量各个传感器的数据，并以曲线形式直观显示。
上位机集成了蔬菜小助手功能，用户可以通过它搜索各种蔬菜的专业培育知识，为用户种植蔬菜提供农业专家级别的建议。
能耗极低，集节水节电与一体，供电部分采用太阳能光伏发电，用水来自于天然雨水，充分利用了大自然的资源，独有的太阳能电池板使系统能够应对突发的停电状况。
制作成本低，硬件结构简单，控制核心逻辑严密，可靠性高，性能稳定。
系统功能易扩充，系统设计时采用面向对象机制和模块化结构设计，在不需要改动系统结构的情况下，容易增加新的模块，使系统的功能扩充容易方便。
结论
经过几个月的努力，我们团队完成了智能蔬菜培育系统的制作。
通过不断的调试、改进、完善，我们的系统首先实现了最基本的功能——温湿度、光照强度、CO2浓度的测量与控制。测量与控制的主要内容为：当大棚内的温度、湿度、CO2浓度、光照强度没有稳定在它们各自最佳值附近时，则系统启动相应的调节设备，如滴灌系统、人工补光系统等等。此外，为使方便用户直观了解蔬菜大棚的状态，我们还开发了一款基于Labview的上位机，上位机上可以实时显示个传感器数据的波形，同时也可以用上位机控制棚内各个设备的运行。此外，我们的上位机还集成了一个蔬菜小助手工具，只要用户输入蔬菜的名字，则可查询到当前蔬菜的习性、最佳生长环境（如最佳温湿度、最佳光照强度、最佳CO2浓度等等）。为用户提供农业专家级别的指导，大大方便用户管理蔬菜大棚，也克服了只有网络用户才能上网查询信息的缺点。当用户查询到这些信息时，也可以直接在上位机上为系统设置各个环境最佳值。用户还可以通过液晶显示屏控制大棚各设备的运行，设置个环境参量最佳值进行调节。该系统实现了多种渠道控制大棚的状态，在大棚内可通过触摸屏控制大棚设备，在家在办公可通过上位机控制设备，在旅游在出差，可以通过手机及时了解大棚的状态并且控制大棚内设备的运行。
除此之外，在基本功能实现的基础上，我们实现了附加功能：
太阳能电池模块，本系统采用了太阳能电池，除了节约能源外，还增强了系统的稳定性和可靠性，淡化了系统对外界环境的要求，使其能推广到电力设施不完善的地区。帮助国家充分利用每一块土地。
通过人体红外热感应模块感应到人体靠近系统时，显示屏上会显示欢迎界面，同时启动显示屏模块；无人时，显示屏进入低功耗状态，这样达到了节省电能的目的。
因此，系统预先设计的功能都已经实现，并且已经达到了预期效果，下面展示系统制作完成后的模型。
系统模型正视图
系统模型右视图
附录A ：
从机各传感器采集原理图
GSM原理图
参考文献
[1] 谭浩强.C程序设计.北京：清华大学出版社
[2] 刘晋霞.LabVIEW2012虚拟仪器从入门到精通.机械工业出版社出版社
[3] 胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京：清华大学出版社
[4] 吴建平，传感器原理及应用。机械工业出版社
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