摘  要： 將組態(tài)王這一通用現(xiàn)場監(jiān)控軟件運(yùn)用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為環(huán)境監(jiān)測提供了一個新的解決方案,。系統(tǒng)采用模塊化,、層次化設(shè)計，下位機(jī)以單片機(jī)為核心,，控制溫濕度信號的采集,，并通過RS-232將信號傳送給上位機(jī)用于實時顯示。仿真與實驗證實,，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，信號采集精度高，完全達(dá)到了預(yù)期指標(biāo),，具有廣泛推廣應(yīng)用價值,。
關(guān)鍵詞： 組態(tài)王；單片機(jī)；溫濕度,；傳感器,；監(jiān)測系統(tǒng)

    我國是世界上人口最多的國家，糧食生產(chǎn)的安全性無疑是至關(guān)重要的,。目前,，我國工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，能否保證糧食的安全生產(chǎn),，將直接影響我國經(jīng)濟(jì)能否平穩(wěn)較快的發(fā)展,，也直接影響著國家的戰(zhàn)略安全。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入,，農(nóng)田管理智能化將是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向,。農(nóng)田智能化管理系統(tǒng)不僅可以大大減少人力物力，更能科學(xué)有效地控制農(nóng)作物的生長環(huán)境,，保障農(nóng)作物的良好生長,，達(dá)到糧食安全生產(chǎn)的目的。
    對農(nóng)作物生長影響最大的是生長環(huán)境,，為了使管理人員更好地掌控農(nóng)田環(huán)境的變化,，設(shè)計了一款基于組態(tài)王的農(nóng)田溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)將計算機(jī),、通信,、嵌入式和傳感器等技術(shù)有效地結(jié)合在一起，為農(nóng)田智能化管理系統(tǒng)提供了一個有效的解決方案,。該系統(tǒng)通過傳感器采集環(huán)境溫濕度信息,，通過微處理器處理以后，再通過RS-232將采集到的信號傳送給計算機(jī),，最后通過組態(tài)軟件進(jìn)行實時監(jiān)測,，實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的智能監(jiān)測。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    系統(tǒng)在保證測量精度高,、監(jiān)測實時性好的基礎(chǔ)上,，考慮到價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單,、易于實現(xiàn)等因素,，采用STC89C52單片機(jī)作為微處理器，控制信號的采集與傳輸,。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,。

    采集模塊獲取農(nóng)田環(huán)境的溫度和濕度信息，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號通過串口傳送給單片機(jī)[1],，單片機(jī)對采集來的信號進(jìn)行三方面的處理：一是傳送給LCD進(jìn)行現(xiàn)場顯示,；二是將信號通過RS-232傳送給計算機(jī)主控界面,，進(jìn)行實時顯示；三是控制報警電路,。
2 采集模塊設(shè)計
    溫濕度采集模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，DHT11是由一個電阻式感溫原件和一個NTC測溫元件結(jié)合在一起的智能采集模塊,，與傳統(tǒng)的單個溫度傳感器DS18B20,、濕度傳感器HS1101相比，DHT11工作原理簡單,、電路設(shè)計簡潔,，省去了諸多電路設(shè)計的麻煩；且內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊,，簡化了軟件編程的難度,；DHT11在傳輸過程中有自我校驗設(shè)計，幫助用戶減少錯誤數(shù)據(jù)的采集,，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,；另外DHT11體積小、功耗低,、信號傳輸距離可達(dá)20 m,，完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。
    DHT11具有4個獨(dú)立的引腳,，每個引腳具有不同的功能,。其中1號引腳接電源，電源的范圍在3.0 V～5.5 V,。2號引腳接數(shù)據(jù)口,，用于數(shù)據(jù)傳輸。3號引腳懸空,。4號引腳接地,。DHT11在電路設(shè)計時，電源引腳（VDD,，GND）之間可增加一個100 nF的電容,，用以去耦濾波。一般數(shù)據(jù)口連接線長度短于20 m時用5 k?贅上拉電阻,，大于20 m時則需要根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻[2],。在實際設(shè)計中數(shù)據(jù)口連接線長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于20 m，因此選擇5 kΩ上拉電阻,。其引腳電路與單片機(jī)連接圖如圖2所示,。

3 處理模塊設(shè)計
3.1 主處理器
    主處理器選用STC89C52單片機(jī)，片內(nèi)有8 KB存儲器,，能夠滿足系統(tǒng)存儲需要而不需要外加擴(kuò)展存儲器,，簡化了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計,。它外加一個T2定時器，芯片內(nèi)定時器總數(shù)增加到3個,，為該系統(tǒng)的擴(kuò)展留下空間,。中斷源由6個變成8個，增加了外部中斷的可行性[3-4],。同時,，STC89C52是一款開發(fā)比較成熟的單片機(jī)，在社會生活中得到了廣泛應(yīng)用,。STC89C52價格低廉,、操作簡單，并且支持在線下載,，給本設(shè)計的軟件仿真帶來了諸多便利,。
3.2 LCD顯示
    顯示器模塊由1602液晶顯示器及其相配套的驅(qū)動器和偏壓產(chǎn)生電路構(gòu)成?？赏瑫r顯示兩行字符,。連接時顯示器的BD0～BD7引腳與STC89C52的P0口連接，完成數(shù)據(jù)傳輸,，控制引腳RS,、RW、E與P1.5,、P1.4,、P1.2連接，完成讀寫控制,。在和單片機(jī)連接過程中要注意3號引腳的連接,，3號引腳用來控制LCD的明暗度，連接不慎會導(dǎo)致LCD無法顯示,。溫濕度LCD顯示結(jié)果如圖3所示,。

3.3 報警電路
    系統(tǒng)采用蜂鳴報警電路，通過MCS-52的一個I/O口經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動壓電式蜂鳴器發(fā)出轟鳴報警信號,。壓電式蜂鳴器約需10 mA的驅(qū)動電流,，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動，也可以用一個晶體三極管驅(qū)動,。P1.3接晶體管基極輸入端,。當(dāng)P1.3輸出低電平“0”時，晶體管導(dǎo)通,，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5 V電壓而鳴叫,；當(dāng)P1.3輸出高電平“1”時，三極管截止,，蜂鳴器停止發(fā)聲,。
3.4 外圍電路
    (1)晶振電路
    單片機(jī)工作的時間基準(zhǔn)是由時鐘電路提供的,，在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩個管腳接一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機(jī)的時鐘電路，電路中電容器對振蕩頻率有微調(diào)作用,。本系統(tǒng)中采用12 MHz的晶振電路,。
    (2)復(fù)位電路
    單片機(jī)的RST管腳為主機(jī)提供了一個外部復(fù)位信號輸入口。復(fù)位信號是高電平有效,，高電平有效的持續(xù)時間為2個機(jī)器周期以上,。單片機(jī)的復(fù)位可由手動復(fù)位方式完成[5]。
    (3)上下限控制按鍵電路
    由于89C52的P2口內(nèi)部有上拉電阻,，為簡化電路，用按鍵開關(guān)直接接對應(yīng)引腳P2.0,、P2.1,、P2.2 、P2.4,。當(dāng)S1沒有按下時,，P1.0=1；當(dāng)S1按下時,，P1.0=0,。在本系統(tǒng)中S1開關(guān)用于切換溫濕度顯示界面和溫度上下限值設(shè)定界面。當(dāng)S1按一下時1602液晶顯示器顯示溫度的下限值設(shè)定,，通過S3,、S4改變其大小。再按一下S1進(jìn)入上限值設(shè)定,，通過S3,、S4改變其大小。繼續(xù)按S1回到溫濕度顯示界面,，進(jìn)入濕度上下值設(shè)定,。
4 算法設(shè)計
4.1 DHT11信號采集算法
    DHT11與單片機(jī)傳輸過程中，DATA 用于單片機(jī)與 DHT11之間的通信和同步,，采用單總線數(shù)據(jù)格式,，具體格式在下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零,。操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit,，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗和數(shù)據(jù),。傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bti溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位,。單片機(jī)發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后,，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集,，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù),。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號,，DHT11不會主動進(jìn)行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式,。其具體通信過程說明如下,。
    總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),，總線拉低時間必須大于18 ms,，保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機(jī)的開始信號后,，等待主機(jī)開始信號結(jié)束,然后發(fā)送80 μs低電平響應(yīng)信號.主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后,，延時等待20 μs～40 μs后, 讀取DHT11的響應(yīng)信號，主機(jī)發(fā)送開始信號后,，可以切換到輸入模式,，或者輸出高電平均可， 總線由上拉電阻拉高,。
    總線為低電平,，說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后,，再把總線拉高80 μs,，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每1 bit數(shù)據(jù)都以50 μs低電平時隙開始,高電平的長短決定了數(shù)據(jù)位是0還是1,。如果讀取響應(yīng)信號為高電平,，則DHT11沒有響應(yīng)，需檢查線路是否連接正常,。當(dāng)最后1 bit數(shù)據(jù)傳送完畢后,，DHT11拉低總線50 ?滋s，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)[6],。其溫,、濕度讀取軟件流程圖如圖4所示。

4.2 信號處理算法設(shè)計
    處理模塊由STC89C52單片機(jī),、LCD1602,、按鍵電路、報警電路,、復(fù)位時鐘電路組成,，其中STC89C52單片機(jī)在該模塊中發(fā)揮著重要作用,，在本設(shè)計中絕大多數(shù)工作都由它來完成，包括數(shù)據(jù)讀取,、數(shù)據(jù)顯示,、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送,、報警控制等,。通過對單片機(jī)程序的編譯，系統(tǒng)把各個小模塊有效地結(jié)合在一起,，統(tǒng)一工作,。單片機(jī)在工作時首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化結(jié)束后調(diào)用讀取溫濕度子程序從DHT11中把溫度和濕度讀入單片機(jī),。在單片機(jī)中先調(diào)用LCD顯示子程序,，使LCD顯示采集到的數(shù)據(jù)。同時判斷是否需要改變上下值,，如果需要則調(diào)用上下值設(shè)定子程序并回到調(diào)用讀取溫濕度子程序的位置，如果不需要則繼續(xù)向下判斷是否報警,，需要則調(diào)用報警子程序,，不需要則繼續(xù)向下調(diào)用發(fā)送程序，延時2 s后程序回到調(diào)用溫濕度讀取子程序的位置,。處理模塊的軟件流程圖如圖5所示,。

5 主控界面設(shè)計
    組態(tài)王軟件是一款通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，它融過程控制設(shè)計,、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體,，將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起，實現(xiàn)最優(yōu)化管理,。組態(tài)王與單片機(jī)有直接的通信協(xié)議,，給本設(shè)計的完成帶來了極大的便利。
    主控界面由數(shù)字輸出和曲線圖兩部分組成,。數(shù)字輸出可顯示當(dāng)前農(nóng)田環(huán)境的溫度和濕度,，曲線圖則用來觀察溫度和濕度的變化。曲線圖可設(shè)定為每隔1 h采集一次,，通過曲線圖可以直觀地觀察到溫度和濕度的變化情況,，為制定有效的農(nóng)田管理方案提供依據(jù)（為便于觀察，這里的曲線圖是1 s采集一次） ,。主控界面如圖6所示,。

    系統(tǒng)采用模塊化、層次化設(shè)計,。單片機(jī)與監(jiān)控計算機(jī)之間采用RS-232總線通信標(biāo)準(zhǔn),，用簡單,、高效的通信電路實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的讀取。通過組態(tài)王實現(xiàn)監(jiān)控信息的采集和實時顯示,，完成農(nóng)田環(huán)境溫濕度參數(shù)的監(jiān)測,。同時組態(tài)王軟件得到的數(shù)據(jù)，供有關(guān)人員瀏覽,、查詢和進(jìn)行控制,，滿足了系統(tǒng)監(jiān)測的要求。
    通過仿真與調(diào)試,，完全實現(xiàn)了系統(tǒng)的預(yù)期功能,。系統(tǒng)可實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境溫濕度全面、實時,、自動的監(jiān)控,，及時發(fā)現(xiàn)問題，采取有效防護(hù)措施,，減少不利于農(nóng)作物生長的災(zāi)害發(fā)生,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉,，但又不失測量精度高,、監(jiān)控實時性好、工作穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn),，對農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測以及其他現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測提供了一個比較有價值的解決方案,，也可以融入到環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮作用，具有廣泛的應(yīng)用價值,。
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