基于WiFi的温室群环境多参数监测系统设计.docx

基于 WiFi 的温室群环境多参数监测系统设计吴卓葵1， 张文峰2， 曾涛1（1.仲恺农业工程学院自动化学院， 广东 广州 510225；2.仲恺农业工程学院农村发展研究所， 广东 广州 510225）摘要：针对温室环境监测的需求和现有温室环境监测系统存在的问题 ，提出一种基于 WiFi 的温室群环境多 参数监测系统。 该设计在监测网络的构建中引入 WiFi 无线通信技术，以增大无线通信距离并简化组网方法；设计了 WiFi 温室环境多参数监测仪器，该仪器具有温湿度采集、光照度采集、液晶显示和 WiFi 通信功能；设计了基于 C# 的 温室上位机监测程序，该程序实现了用户登陆、监测仪器端口配置和温室群环境状态实时显示等功能。 系统应用与 分析结果表明，设计的系统能实现温室群环境的远程无线监测，运行效果良好。关键词：WiFi； 温室监测； 温度； 湿度； 光照度； 无线通信中图分类号：S316； TP274文献标识码：A文章编号：1004-874X（2014）10-0189-05Design of multi-parameter monitoring system forgreenhouse group environment by WiFiWU Zhuo-kui1， ZHANG Wen-feng2， ZENG Tao1（1.College of Automation， Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225， China；2.Institute of Rural Development， Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225， China）Abstract： According to the demands of greenhouse environment monitoring and existing problems of greenhouseenvironment monitoring system, a design of multi-parameter monitoring system for greenhouse group environment based on WiFi is presented. The design introduces WiFi wireless communication technology into the monitoring network construction to increase wireless communication distance and simplify network building method. WiFi multi -parameter monitoring instrument for greenhouse environment is designed, it has functions of temperature and humidity acquisition, illuminance acquisition, LCD display and WiFi communication. And the host computer program based on C# is designed, it realizes the functions of user login, instrument terminal configuration and greenhouse group environment state real-time display. The system application and analysis results show that the designed system can realize the remote wireless monitoring of greenhouse group environment and the operation effect is good.Key words： WiFi； greenhouse monitoring； temperature； humidity； illuminance； wireless communication温室种植有利于提高农作物的品质、 产量和反季节生产能力。 温室中的温度、湿度和光照度等是影响农 作物生长的重要因素， 对这些参数进行监测和调整是 提高温室农作物品质和产量的关键。随着微机技术、 网络通信技术和计算机软件技术 的发展，温室自动化技术发展迅速，提出了多种类型的温室环境监测系统，如基于 RS-485 总线的温室环境监测系统1、 基于 W5100 的网络化温 室大棚环境 监测系统2、基于无线传感器网络和 ZigBee 的温室监测系统3、 基于 Zigbee 网络的温室环境监测系统4、基于 ZigBee 和GPRS 网络的温室大棚无线监测系统5等。这些温室监测系统都能方便获取温室的环境参数数据进行监测，但部分系统采取有线方式构建监测网络1-2，在温室环 境存在布线困难的问题； 另一部分系统尽管采取无线 方式构建监测网络3-7，但是存在通信距离小和组网复 杂的问题。针对以上问题， 本文提出一种基于 WiFi 的 温室 群 环 境 多 参 数 监 测 系 统 ， 实 现 了 温 室 群 环 境 的 多 参 数 远 程 无 线 监 测 。 该 设 计 的 主 要 特 点 是 在 温 室 环 境监 测 网 络 的 构 建 中 引 入 WiFi 无 线 通 信 技 术 ， 以 增 大收稿日期：2014-01-07基金 项 目： 广 东 省 农 业 科 技 项 目 （KB131852）； 广 东 省 科 技 计划项目（2011B031500022）；广州市科技计划项目（12C420415 47）作者简介：吴 卓 葵 （1980-），男，在 职 博 士生 ，讲 师 ，E-mail：190无线通信距 离并简化组 网方法 ； 同时 ， 设计了 WiFi温 室 环 境 多 参 数 监 测 仪 器 和 基 于 C# 的 温 室 上 位 机 监测程序。1系统架构基于 WiFi 的温室群环境多参数监测系统 能无线 采集集中分布的多个温室的温度、 湿度和光照度等影 响农作物生长的环境参数进行监测，其架构设计如图 1 所示，主要由无线局域网 WLAN、WiFi 温室环境多参数 监测仪器和基于 C# 的温室上位机监测程序组成。 其 中，WiFi 无线局域网 WLAN 基于无线路由器构建 ， 为 系统提供无线通信网络；WiFi 温室环境多参数监测仪 器主要实现温室的温度、湿度、光照度等环境参数的采 集和 WiFi 通信功能； 基于 C# 的温室上位机监测程序 主要实现获取所有 WiFi 温室环境多参数监测仪器采 集的数据进行集中监测的功能。采集电路、BPW34 光照度采集电路和 WiFi 通信电路。WiFi 温室环境多参数监测仪器的单片机程序主要 实现如下功能：（1） 温湿度采集： 根据温湿度传感器SHT11 的控制逻辑进行温湿度采集；（2）光照度采集：根据模数转换器 ADC0832 的控制逻辑采 集硅光电池BPW34 转换的电压信号并计算光照度；（3） 液晶显示： 根据液晶器件 LM016L 的控制逻辑 显示采集的 温度 、 湿度和光照度；（4）WiFi 通信： 控制单片机的串口并通 过串口转 WiFi 模块实现与上位机的无线通信。2.2 温湿度采集实 现 温 湿 度 采 集 功 能 的 核 心 器 件 为 温 湿 度 传 感 器 SHT11。 SHT11 采用二线数字串行接口，湿度测 量范 围 为0 100% RH （Relative Humidity）， 温 度 测 量 范围为-40123.8。 温湿度采 集电路的 详细设计如 图3 所示。图 1系统架构图 3 温湿度采集电路温湿度采集程序实现的关键为依据 SHT11 的通信协议控制其引脚 SCK 和 DATA 进行温湿度采集， 其中 SCK 为时钟引脚，DATA 为数据引脚。 控制 SHT11 进行 温湿度采集的流程如下：（1） 给 SHT11 发送启动时序；（2） 按照 SHT11 的写时序向 SHT11 写入控制命令，写 入 00000011 表示测量温度， 写入 00000101 表示测量 湿度；（3）等待 SHT11 响应是否接收到命令，若无响应， 给 SHT11 发送通讯复位时序，直至 SHT11 响应；（4）若 接收到 SHT11 正确接收命令的响应，等待 SHT11 完成 测量；（5）按照 SHT11 的读时序读入测量数据。 SHT11 测量结束以后， 会传输 2 个字节的测量数据和 1 个字 节的 CRC 奇偶校验；（6） 依照转换公式计算温度或湿 度。2.3 光照度采集2WiFi 温室环境多参数监测仪器设计2.1总体设计根据需要实现的功能，设计 WiFi 温室环境多参数 监测仪器的硬件结构， 如图 2 所示。 该仪器的硬件以AT89C51 单片机为核心构建，外围电路主要包括时钟电路、复位电路、LM016L 液晶显示电路、SHT11 温湿度1光照度采集电路的详细设计如图 4 所示，其工作图 2 硬件结构191UI图 4 光照度采集电路原理为：BPW34 将光照度信号转换为电流信号； 由于BPW34 产生的短路电流很小，通过运算放大器 LM358 将 电 流 信 号 转 换 为 电 压 信 号 并 放 大 ； 单 片 机 控 制 ADC0832 采集 LM358 放大后的电压信 号并计算光 照 度值。光照度采集 程序的关键 是依据 ADC0832 的 控 制 逻辑采集光照度对应的电压信号。 ADC0832 的控制引 脚主要有 4 个：使能端 CS、控制脉冲输入端 CLK、数据 输入端 DI、数据输出端 DO。 控制 ADC0832 进行光照 度采集的流程 如下 ：（1） 初始化 ， 控制 CS=0 使芯 片有 效；（2）控制 CLK 发出控制脉冲，在第 1 个脉冲的上升 沿使 DI=1 启动数据输入， 在第 2 个脉冲的上升沿使DI=1， 在第 3 个脉冲的上升沿使 DI=0 选中第 1 个通+5图 5 WiFi 通信电路度，第 48 字节表示光照度。 算法 1 为单片机串口接收中断函数。算法 1：串口接收中断函数实现算法if(RI)RI=0； c=SBUF；if(c=A) /若接收到上位机发送的命令“A”mvStr0=(temperature/10)%10；/温度 mvStr1=temperature%10； mvStr2=(rh/10)%10；/湿度 mvStr3=rh%10； mvStr4=(k/1000)%10; /光照度 mvStr5=(k/100)%10; mvStr6=(k/10)%10; mvStr7=k%10;send_str_com(code,mvStr,8);/发送测量值道采集电压信号，在第 411 个脉冲采集 8 位电压信号数据，在第 1219 个脉冲采集用以校验的 8 位电压信号数据；（3）进行数据校验，若通过则输出电压信号 数据；（4） 依据光照度与电压的转换公式计算光照度 值。2.4 WiFi 通信WiFi 通信电路的核心器件为串口转 WiFi 接口模 块 HLK-RM04， 该 器 件 与 单 片 机 的 串 口 进 行 连 接 。 HLK-RM04 与单片机连接并正确设置参数后， 通过单 片机串口发送的数据会自动通过 WiFi 接口发送，发送 至 WiFi 接 口 的 数 据 也 会 自 动 发 送 至 单 片 机 的 串 口 。 WiFi 通信电路的详细设计如图 5 所示。实现 WiFi 通信程序的关键是控制单片机 的串口 进行数据发送和接收。 单片机与上位机约定的通信协 议为：若单片机接收到上位机发送的命令“A”，则通过 串口发送格式为“DDDDDDDD”共 8 个字节的数据给上位机，其中第 12 个字节表示温度，第 34 字节表示湿192开“温室群环境状态实时显示窗体”时，连接“温室监测.mdb”数据库，读取“监测仪器”数据表的配置信息；（2） 根据数据表中存储的监测仪器数量设置显示窗体的大 小和控件的可见性，实现动态显示；（3）将从数据库中 读取的监测仪器信息存储进全局数组 J，以方便在线程中连接监测仪器使用；（4）为每个监测仪器创建一个监测线程， 用以连接监测仪器并获取监测仪器的采集数 据进行显示。 监测线程函数实现的具体方法如算法 2 所示。算法 2：监测线程函数实现算法TcpClient tcpC = new TcpClient(); /创建连接/监测位置显示和连接状态显示为“连接中”try tcpC.Connect (IPAddress.Parse (J 0, 1), Convert.ToInt16(J0, 2); /连接监测仪器while(tcpClient.Connected) /连接上后监测NetworkStream netS= tcpClient.GetStream(); netS.Write(command,0,1; /要求仪器发送数据 netS.Flush();delay(2); /延时 2s，等待仪器响应int j=netS.Read(RD, 0, ReceiveData.Length); if (j = 8) /接收 8 个字节的监测数据mv = Encoding.Default.GetString(RD, 0, 8); temperature =mv.Substring(0, 2); /获取温度值 J12.Text = 温度值： + temperature + oC;/获取湿度值并显示/获取光照度值并显示delay(60); /每隔 60s 刷新 1 次数据 catch/连接错误时显示“连接不成功” finallytcpC.Close();/关闭 tcp 连接4 系统应用与效果分析为了分析基于 WiFi 的温室群环境多参数 监测系 统的性能， 在仲恺农业工程学院农场应用该系统并进 行功能测试。 图 6 为温室上位机监测程序的运行界面。 系统功能测试结果（表 2）表明，系统的各个功能运行效 果良好，系统能实现温室群环境的远程无线监测。5 结语本文提出一种基于 WiFi 的温室群环境多 参数监3基于 C# 的温室上位机监测程序设计3.1总体设计基于 C# 的温室 上 位 机 监 测 程 序 采 用 C# 编 程 语 言 设 计 ， 主 要 实 现 如 下 功 能 ： （1） 用 户 登 陆 ： 通 过 Access 数据库存储用户信息，用户需要通过用户名和 密码验证才能使用系统，以保证系统的安全；（2）监测 仪器端口配置： 实现 WiFi 温室环境多参数监测仪器 的动态配置 ， 包括增加 、 删 除 监 测 仪 器 和 修 改 监 测 仪 器的配置参数；（3）温室群环境状态实时显示：通过无 线采集分布在各温室的监测仪器的监测数据，实时显 示温室群 的各个温室 的环境 状 态 ， 包 括 温 度 、 湿 度 和 光照度。3.2监测仪器端口配置监测仪器端口配置实现的具体功能包括：使用复选框用以选择增加或删除监测仪器； 对复选框选择的监测仪器，可进行监测位置、IP 地址和端口等参数值的 设定或修改。 监测仪器端口配置功能基于数据库技术 实现8，实现步骤如下：（1）使用 Microsoft Office Access 2003 软件建立一个“温室监测.mdb”数据库文件，并在 该数据库中设计一个表名为“监测仪器”的数据表，用 以存储监测仪器端口配置信息，该数据表的结构如表 1 所示；（2）当用户打开“监测仪器端口配置窗体”时，读 入“ 监测 仪器” 数据表 的信 息 并 显 示 ；（3） 当 用 户 选 择 “ 重新配 置监测仪器 端口 ” 操作时 ， 首先删 除 “ 监 测 仪 器”数据表的所有数据，其次往“监测仪器”数据表重新 写入新的配置数据；（4）完成往“监测仪器”数据表写入 新的配置数据后，使用设定的事件委托函数刷新“温室 群环境状态实时显示窗体”的显示。表 1“监测仪器”数据表的结构字段名称数据类型说明编号位置IP端口数字文本文本 文本仪器编号，主键监测位置仪器 IP 地址 仪器网络端口3.3温室群环境状态实时显示温室群环境状态实时显示实现的具体功能包括 ： 根据监测仪器的设置分组显示监测状态； 若正在连接 仪器或连接不成功，则只显示监测位置和连接状态；若 成功连接仪器，则显示监测位置和采集到的温度、湿度 和光照度数据。 温室群环境状态实时显示功能基于数据库技术和多线程技术实现，实现步骤如下：（1）当打测系统设计。该设计的主要特点为：（1）在温室环境监测网络的构建中引入 WiFi 无线通信技术，以增大无线通信距离并简化组网方法；（2） 设计了 WiFi 温室环境 多参数监测仪器， 该仪器具备温湿度采集、 光照度采集、液晶显示和 WiFi 通信功能；（3）设计了基于 C# 的193步将研究温室设备的远程控制技术， 以进一步增强该系统的功能。参考文献：1韩慧.基于 RS-485 总线的温室环境监测系统J.仪表技术与传感器,2012(3):60-61.白云州.基于 W5100 的网络化温室大棚环境监测系统J.制 造业自动化,2011,33(2):20-21,28.Salleh A, Aziz A, Abidin M Z, et al. 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