温室CO2远程监测系统设计

温室CO2远程监测系统设计
石树林;孔繁利;张倩怡;殷志国
【摘要】针对远距离监测温室大棚C02含量变化的困难,设计并实现了基于Internet的温室CO2远程监控系统.硬件上,采用性价比很高的SEP4020处理器,并利用内置的以太网控制器构建小型服务器,与主机客户端进行数据传输.软件上,为了缩短开发周期增强实时性,采用开源Linux作为开发环境.远程客户端应用程序通过VC++语言在电脑上实现.经过验证,系统能够实现CO2的远程监控,系统精度和稳定性也满足实际应用要求.
【期刊名称】《广东农业科学》
【年(卷),期】2011(038)017
【总页数】3页(P149-151)
【关键词】C02;远程监控;Intemet;SEP4020
【作者】石树林;孔繁利;张倩怡;殷志国
【作者单位】辽宁工程技术大学机械学院,辽宁阜新123000;辽河油田电力集团,辽宁盘锦124010;辽宁工程技术大学机械学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学机械学院,辽宁阜新123000
【正文语种】中文
【中图分类】TP311.521
CO2浓度影响作物光合速率，从而影响作物发育、产量和品质。

CO2含量是影响
温室大棚效能最重要的因素之一。

因此，实时监控温室中的CO2含量是十分必要的。

但是对于分散分布或距离较远的温室大棚，监控起来有一定的难度。

随着因特网覆盖的不断扩大，设计一种基于因特网的CO2远程监控系统已成为可能[1]。

本文介绍了基于ARM7的CO2远程监控系统，研究了远程监控系统的硬件及软件实现方法。

通过以太网技术建立现场监控系统与客户端连接，将实时采集信息发送到客户端，实现了大棚现场CO2数据信息的自动获取与远程控制。

服务端使用Linux操作系统实现多任务管理，每个任务享有不同的优先级，保证系统的实时性。

客户端使用VC++作为编程语言。

1 整体设计
下位机实现CO2信号的检测和数据处理，并通过因特网传输到上位机显示。

通过上位机实时监测CO2的含量变化，以保证温室作物的正常生长需求。

系统工作时，首先CO2传感器采集CO2信号，模拟信号经过调理、放大滤波后输入到AD中，转换成数字信号后，SEP4020对其进行数据处理。

最后通过因特网传输到上位机
显示（图1）。

上位机亦可以发出控制信号来调节CO2含量。

1.1 信号调理电路设计
图1 系统流程
由于AD转换器只能转换电压，不能直接采集电流信号，因此必须进行将电流信号转换成电压信号。

其中一个方案就是在输入端并接一个电阻，这种电路虽然简单，但却不实用，而且处理这种输入转换电路时十分麻烦。

故本文采用如图2所示的
电路进行转换。

在这个电路中，由TL43组成的高精度稳压电路对运放进行供电。

TL431功耗仅为1 W，实现不同供电电压只需要更换不同的分压电阻。

此外，电
路采用OP07，其性能不仅优于普通廉价产品，更重要的是它可以保证输入4 mA 时运放IC的输出电压等于零。

图2 信号调理电路
经过验证，当零点电流输入时，输入电压为4.25×25=（2.5×100）/
（225+100），实际误差为 0.0014；当满度电流输入时，输出电压为
（20.5×25-106.4）×（11.31/l+l）=4999.09，实际误差为0.00018[2]。

1.2 放大滤波电路设计
差动输入的低通滤波放大电路见图3。

仪用放大器INA114具有高输入阻抗和差动输入端严格对称的特点，要改变增益值只需改变外部电阻即可实现，增益与电阻R 的关系为G=1+50/R。

其内部输入保护使其能够长期忍受±40 V的高电压。

将传感器输入的0～5 V电压信号放大到理想信号后就会产生失调和偏移，因此必须对信号进行滤波，滤波器采用压控电压源低通滤波电路。

滤波器截止频率其特点是输入阻抗高、输出阻抗低。

图3 放大滤波电路
1.3 AD转换电路设计
本设计采用了AD公司的ADS8364高速、低功耗、六通道同时采样和转换的十六位模数转换器。

采用+5 V工作电压，80 dB共模抑制的全差分输入通道，还包括6个4 s连续近似的模数转换器、6个差分采样放大器、带REFIN和REFOUT引脚的内部+2.5 V参考电压以及高速并行接口。

1.4 以太网接口电路
以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口两部分组成。

SEP4020内嵌一个以太网控制器，支持媒体独立接口和带缓冲DMA接口，可在半双工或全双工模式下提供10/100 M的以太网接入。

物理层接口采用DM9008，在收到由主机发来的数据后侦听网络线路。

若线路忙，则等到线路空闲为止，否则立刻发送该数据帧。

发送过程中，首先添加以太网帧头，生成CRC校验码，随后将此数据帧发送到以太网。

在接收过程中，它将收到的数据帧进行解码、去帧头和地址检验等步骤后缓保存在片内。

在CRC校验通过后，根据初始化配置情况，告知DM9008收
到了数据帧，最后传输到SDRAM中。

DM9008芯片的内部数据链路划分为远程DMA通道和本地DMA通道两个部分，本地DMA完成控制器与网线上的数据交换，远程DMA完成主处理器收发数据任务，当主处理器要向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到
DM9008芯片中的发送缓存区，然后发出传送命令。

DM9008AS芯片在完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发送。

接收时，DM9008AS芯片接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存
器标志的方式通知主处理器进行读取[3]。

DM9008芯片的16位数据总线与SEP4020的低16位数据线连接，其地址被设
计为0x300，此外，SEP4020芯片还需控制 RTL芯片的 AEN、IOWR、IORB、RSTDRV等引脚。

DM9008芯片与RJ45接口之间还需连接一个网络变压器，起
到电平转换及电气隔离作用。

1.5 控制输出电路设计
远程客户端可以发出控制信号，通过Internet传输至下位机，下位机驱动执行机构，排出或排入CO2，从而对环境CO2进行调节。

系统采用继电器输出电路实现温室CO2的控制作用。

从图4可以看出，继电器的两端反向并联了一个二极管，它在电路中起保护作用。

如果没有二极管作为保护，极易导致集成块击穿，并联二极管可以确保集成块的安全。

线圈两端连接了发光二极管，使继电器的工作状态更加直观，且能方便地检测继电器故障。

继电器吸合，继电器接通电源，发光二极管被点亮。

图4 继电器电路
2 软件设计
2.1 A/D数据采集程序设计
本系统采用定时采集，利用定时器来实现一定时间间隔的模拟信号采集，在定时器
中断服务程序中使能ADS8364，并完成一次数据采集，当采样点达到某个设定值时停止采集，这里所说的时间间隔是ADS8364采样周期，通过改变定时时间可以设置不同的采样频率（图5）[4]。

2.2 网口应用程序设计
Linux系统中的服务器端的应用程序（在编程实现中，我们把Linux嵌入式装置作为服务端，windows系统下VC++开发的应用程序作为客户端），主要是实现接
收客户端的连接请求，并接收和处理客户端的信息。

在开发Linux系统下套接字
程序时，采用面向连接的TCP套接字。

TCP套接字提供一种可靠的面向连接的数
据传输方式，有自身的检错和纠错机制，能提供一种流式数据传输方式[5]。

本文
使用GNU C实现TCP套接字编程，利用Linux的libc函数库，程序使用通用接
口函数完成。

服务器程序的第一个操作通过调用函数socket()创建一个套接字[6]。

程序流程如图6所示。

部分代码如下：
图5 AD程序流程
图6 网络程序流程
2.3 上位机程序设计
上位机采用VC++开发网络程序，网络程序的实现有多种方法，本文采用比较简
单的windows socket方法实现。

在设置服务器的IP地址和端口号后，就能连接
到远程服务器上，并可以发送数据。

同样可以断开连接或取消功能。

首先，为程序添加新类Client_Socket，基类为C_socket，并在类中实现连接功能；然后添加connect和disconnect按钮的消息响应函数，添加事件处理程序，实现服务器的连接和断开。

部分程序如下：
3 结语
温室CO2远程监控仪能实现远程监视与控制功能，且成本低廉、易于推广。

系统可同时检测数个距离较远的温室大棚，操作简单、实时性高。

解决了大棚现场数据信息的自动获取问题，又可以实现远程智能控制，满足管理的要求，通过以太网网络传输，为管理者提供方便，节省了大量的人力物力。

优越的性价比使其具有极大的应用前景。

参考文献：
[1] 高建平,赵龙庆.温室计算机控制与管理技术的发展概况及在我国的应用前景[J].计算机与农业,2003(2):12-15.
[2] Thntau H J.Models for green house elimate
control[J].Actahort,1989,245:397-404.
[3] 杨庆.基于嵌入式intemet的远程数据采集系统的设计[D].天津:天津大学,2003.
[4] 李敏.温室大棚单片机数据采集系统设计[J].黑龙江八一农垦大学学
报,2003,15(1):47-51.
[5] 张文佳.基于linux的嵌入式控制系统软件设计[J].大连:大连海事大学,2006.
[6] 罗苑棠.嵌入式linux应用系统开发实例精讲[J].北京:电子工业出版社,2008.。