基于STC單片機(jī)和SHTl5溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

環(huán)境溫度、濕度、光照等參數(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中是一種十分重要的數(shù)據(jù)，特別是在糧庫(kù)、溫室、大棚等環(huán)境中溫度、濕度、光照的測(cè)量和控制更為重要。傳統(tǒng)的基于有線通信系統(tǒng)的溫度、濕度、光照監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要花費(fèi)大量的人力物力鋪設(shè)線路，施工量大，安裝時(shí)間長(zhǎng)，因此基于無(wú)線傳輸技術(shù)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。

溫室具有如下特點(diǎn)：非線性、分布不均勻性、時(shí)變性、控制時(shí)延性、多變量耦合性等。由于作物本身生長(zhǎng)活動(dòng)使得溫室內(nèi)部的環(huán)境處于熱平衡混沌狀態(tài)，因此不能按照傳統(tǒng)方法對(duì)其建模。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作也不僅僅影響某一個(gè)因子，可能對(duì)溫室的溫度和濕度同時(shí)產(chǎn)生影響?？傊?，溫室溫度和濕度這兩個(gè)參數(shù)存在較強(qiáng)耦合性，溫度和濕度的變化會(huì)相互影響，它們和溫室環(huán)境控制的其他因子一起構(gòu)成了一個(gè)包含多方面內(nèi)容的復(fù)雜對(duì)象，對(duì)其實(shí)現(xiàn)精確控制有一定難度，需要系統(tǒng)多方面的有機(jī)配合。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)運(yùn)用STC單片機(jī)作為控制器件來(lái)采集溫度、濕度和光照信息。將采集到的數(shù)據(jù)送顯示電路顯示，同時(shí)與設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若超出設(shè)定的范圍，則進(jìn)行聲光報(bào)警（設(shè)定值可以從鍵盤(pán)電路輸入），而且這些數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊送到下位PC機(jī)中，下位機(jī)利用LabVIEW軟件將各種信息以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布到 Internet上，上位機(jī)只要輸入下位機(jī)發(fā)布時(shí)網(wǎng)址就可以監(jiān)測(cè)，而且還可以通過(guò)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，以致能夠?qū)崿F(xiàn)管理的完全智能化。圖1給出了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的2個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)框圖，在這個(gè)基礎(chǔ)上給單片機(jī)編址可以擴(kuò)展多個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊，從而實(shí)現(xiàn)大面積的覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

3 硬件部分

3．1 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(shù)字溫濕度傳感器SHTl5。該器件主要特點(diǎn)如下：高度集成，將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A／D 轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡(jiǎn)單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高；測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置 A／D轉(zhuǎn)換器（分辨率為8～12位，可以通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部寄存器編程來(lái)選擇）；測(cè)量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值；封裝尺寸超小，測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式；高可靠性，采用CMOSens工藝，測(cè)量時(shí)可將感測(cè)頭完全浸于水中。該器件與控制器的典型接法如圖2 所示。

3．2 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(jī)自帶的A／D輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電壓范圍為4～5 V，3～4 V，2～3 V，1～2 V，0～1 V，正好對(duì)應(yīng)光照的5個(gè)等級(jí)：強(qiáng)、較強(qiáng)、中等、較弱和無(wú)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(huán)境中正常工作；亮電阻在5～10 kΩ范圍內(nèi)，暗電阻在O．6 MΩ左右；響應(yīng)時(shí)間為30 ms，由上述參數(shù)可以看出完全滿(mǎn)足要求。

3．3 無(wú)線模塊

該設(shè)計(jì)中選用KYL-1020U無(wú)線數(shù)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(diǎn)；具有RS 232，TTL，RS 485等通訊接口，這里選用。RS 232接口；8個(gè)通訊信道，收發(fā)一體，半雙工工作模式；低功耗，并具有休眠功能；工業(yè)級(jí)工作溫度為-35～+75℃；天線阻抗為50 Ω；符合EN 300220 and ARIB STD-T67標(biāo)準(zhǔn)。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(dá)到600 m。模塊接口定義如表1所示。

4 軟件部分

4．1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

STC單片機(jī)C51，運(yùn)用KEIL軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)。單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的采集，然后顯示，監(jiān)控，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給下位機(jī)PC機(jī)。A／D轉(zhuǎn)換的子程序如下：

4．2 控制算法設(shè)計(jì)

對(duì)溫室環(huán)境中溫度參數(shù)、濕度參數(shù)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(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較計(jì)算，求得溫度偏差T和濕度偏差 H，根據(jù)溫度偏差T和濕度偏差H以及溫度和濕度的耦合關(guān)系制定控制規(guī)則，由系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)算決策，得到系統(tǒng)控制量溫度補(bǔ)償值TB和濕度補(bǔ)償值HB。如果實(shí)時(shí)溫度超過(guò)設(shè)定最佳溫度，最佳濕度的允許范圍，此時(shí)聲光報(bào)警，告知操作人員要進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)來(lái)消除報(bào)警。系統(tǒng)控制要求和目標(biāo)：

（1）系統(tǒng)共有3個(gè)參數(shù)，即溫度、濕度、光照。

（2）自動(dòng)控制溫室內(nèi)的溫度和濕度，溫度的控制誤差不大于±0．5℃。

（3）系統(tǒng)具有自動(dòng)控制，控制室遙控兩種工作方式。

（4）系統(tǒng)具有報(bào)警以及參數(shù)設(shè)置，自主訓(xùn)練和學(xué)習(xí)功能。

（5）系統(tǒng)具有表格、圖形、曲線等顯示和存儲(chǔ)功能。

通過(guò)傳感器可以獲得大量的有關(guān)溫度、濕度、光強(qiáng)度和時(shí)間的樣本數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與時(shí)間并不是線性關(guān)系?；谶@些數(shù)據(jù)，如果能夠找到運(yùn)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(huán)境保持在適宜作物生長(zhǎng)的狀態(tài)之下。

對(duì)溫度控制運(yùn)用加熱器，濕度采用通風(fēng)和噴灌裝置，光照主要運(yùn)用遮陽(yáng)幕。早期溫室的控制多采用常規(guī)的PI或PID來(lái)控制，這種控制方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

隨著對(duì)非線性、時(shí)變性、不確定性的難以建立數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象，就難以實(shí)現(xiàn)。隨著智能控制的發(fā)展，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的出現(xiàn)，給這類(lèi)難以解決的問(wèn)題開(kāi)辟了一條新的途徑，它能夠處理好時(shí)變性、大滯后和耦合性等的復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題。

BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程及算法流程如圖3所示。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是自學(xué)習(xí)功能，設(shè)微機(jī)的基準(zhǔn)信號(hào)和實(shí)際信號(hào)的誤差為e（k），則：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自己的學(xué)習(xí)功能，即相應(yīng)的算法使e逐漸減小，最后達(dá)到理想的值。這里的控制對(duì)象應(yīng)為溫室里的環(huán)境因子。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在收斂速度和收斂精度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)PID或PD控制器。與傳統(tǒng)的控制方法相比超調(diào)量和控制時(shí)間都大大減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。

4．3 PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

由于無(wú)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(guò)VISA實(shí)現(xiàn)。VISA實(shí)質(zhì)上是I／O接口軟件庫(kù)及其規(guī)范的總稱(chēng)。其本身不具備編程能力，它通過(guò)調(diào)用低層驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。運(yùn)用自身帶的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能就可以完成網(wǎng)頁(yè)的發(fā)布，通過(guò)參數(shù)的設(shè)置就可以讓遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)來(lái)訪問(wèn)，不需要再做成網(wǎng)頁(yè)的形式進(jìn)行發(fā)布。發(fā)布后的控制面板如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

利用單片機(jī)采集溫室、糧倉(cāng)、大棚中的環(huán)境因素，并顯示和控制環(huán)境因素的變化，同時(shí)以無(wú)線方式將實(shí)時(shí)信息上傳到下位PC機(jī)；下位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，采用可視化編程語(yǔ)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(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能將界面以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布，遠(yuǎn)程的PC機(jī)只要得到操作許可就可以操作整個(gè)界面，這樣工作人員不必到現(xiàn)場(chǎng)就可以解決運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，從而實(shí)現(xiàn)管理的自動(dòng)化、智能化。測(cè)控方式的網(wǎng)絡(luò)化是未來(lái)測(cè)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的種種好處，實(shí)現(xiàn)各種資源有效合理的配置，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的VI。

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