基于CAN总线的温室大棚温湿度监测系统方案开发

基于CAN总线的温室大棚温湿度监测系统方案开发摘要：以C A N总线通信网络为基础，设计了一种温室大棚内温、湿度等参数的自动监测与控制系统，介绍了系统的网络架构，C AN智能节点的硬件结构、数据采集系统及软件的设计方案，经在本市农业高科技同试用，该系统运行稳定，性能可靠，实现了对现场参数的远程监控。

关键词：C A N总线；温室大棚；温、湿度数据采集；温湿度监测系统

0 引言

随着我国新士地政策的实施，政府鼓励农民将承包的土地向专业大户、合作农场和农业园区流转，发展规模农业，实现农业产业化，并逐步调整产业结构。在此条件下，温室大棚种植、养殖业发展迅速，特别是无公害蔬菜大棚、花卉、育苗大棚在全国蓬勃发展，大棚质量不断提高，出现了机械强度高、抗风雪能力强、透光率高，操作管理方便，使用寿命长的玻璃棚、P C板棚等。为了提高管理水平，要求对大棚的管理实施自动化控制，以降低成本，提高生产效率。在对大棚的管理中，需要对棚内气体温度、湿度、浓度、土壤湿度等环境参数进行实时监控，以充分满足棚内作物生长的客观要求。随着大棚数量的增加，跨地区经营现象的增多，需要用传输能力强和通信距离远的监控系统来有效地对大棚进行监管。

C A N总线技术具有先进的主网络结构，实时性好，通讯距离远，数据传输速率快，具有较好的差错控制能力，可靠性高、系统容量大、扩充容易、安装方便、维护费用低、性价比高等优点，特别适用控制节点多，分布较散的监控场所。因此，本设计采用C A N技术来实现对大棚内温、湿度等参数的监控。

1 温室大棚控制系统CAN总线网络的架构

在任何测控系统中，都要通过测量装置获取被测环境中的相关数据信息，然后执行控制算法，做出相应的控制决策，启动执行设备来实现对系统的控制。基于C A N总线建立的测控系统将单个分散的测量装置和控制设备变成网络节点，利用总线上的节点具有总线通信功能、测量和控制功能实现对现场数据的采集与设备控制。本系统就是采用这种现场总线分布式数据采集与控制方式。系统主要包括现场数据采集控制系统、现场控制室、远端控制室三部分。其系统总体结构如图1所示。

现场数据采集与控制系统的主要功能是通过采集分布于棚内各个传感器所采集的实时信息，并根据所得的信息发送控制命令，控制现场的设备，实现故障报警等功能。由于C A N总线的通信距离有限，而远端控制室和现场相隔较远，所以需对数据进行预处理，这由现场控制室完成。现场控制室主要由CAN接口适配器以及上位PC机组成，通过P C机将数据发送到远端的监控管理机上，远端的控制室主要由客户终端P C机、打印机等组成，P C机通过Internet以及客户终端的操作软件，对CAN节点传来的数据进行存储、分析、打印等基本操作，并对节点控制系统发出相关控制命令，以实现远程控制…。

2 硬件电路设计

2．1 CAN智能节点的硬件电路架构

智能节点系统的硬件结构框图如图2所示。主要包括参数检测传感器、AT89S52单片机、CAN通信模块、报警模块、暖气控制电磁阀、冷却水控制阀、喷水电磁阀及其驱动电路、电平转换电路、液晶显示模块等。

2．2 CAN通信模块

C AN通信模块的硬件设计如图3所示，电路主要由四部分组成，即微控制器A T 8 9 S 5 2、独立C A N通信控制器sJAl000、CAN总线收发器82C50和高速光电耦合器6N137。sJA 1 000和单片机之间的数据通信通过单片机PO口进行，数据接收信号采用中断方式，以提高数据处理的实时性。CAN控制器SJAl000通过总线驱动器PCA82C250连接在物理总线上。PCA8 2 0C 2 5 0器件提供对总线的差动发送能力和CAN控制器的差动接收能力。SJAl000的TXO和RXO通过高速光耦6N1 37与82C250相连，实现了收发器与控制器之间的电气隔离，保护智能节点核心电路．I：作安全，并实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。可在总线入口处并接双向稳压管，限制线路上可能出现的短时尖峰过电压，增加共模抑制线圈，以消除共模信号的干扰。信号传输到导线的站点时，会发生反射，干扰正常信号的传输，可在CAN总线两端并接2个1 2 0 Q的电阻，起到匹配总线阻抗和消除反射的双重作用比。

2．3温湿度传感器模块

温湿度检测电路采用瑞士SENSIRION公司生产的具有12C总线接口的温湿度传感器芯片SHTll，该芯片能够直接提供温度在一40～+120"C范围内，湿度在0～100％范围内的数字输出信号。SHT 1 1具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好等特点，非常适用于单片机温湿度测量与控制系统。图4为SHT 1 1在该系统中的应用电路图。

2．4土壤湿度的测量模块

如图5所示，传感器采用硅湿度敏电阻，它在2 5℃时响应时间小于5S，检测土壤含水量范围为0～l 00％。土壤湿度检测电路由湿敏电阻RH、晶体管VT 以及R l、R2等组成湿度信号放大电路由A1、RPl、RP2、R3、R4、R5、R8、VD3等组成，稳压电源电路为湿度检测电路提供2．5 V的稳压电源。将湿敏电阻插

入上壤中，因士壤所含水量不同，使得湿敏传感器的阻值不同，即V T的基极偏置电阻不同，使基极电流也不同，从而改变了VT的发射极电流，在R2上将射极电流转换成电压，并将该电压送到A 1的同相输入端，经A1放大，A／D转换，送单片机进行处理。调整时将RH插入水中，调节RP2使A1输出为5V，然后将RH从水中取出并擦干，调节RPl使用A1输出为OV。

2．5气体浓度检测模块

不同大棚内种植的作物不同，对各种气体浓度的要求略有差异，从安全角度考虑，主要是对可燃气体的检测。在此以可燃气体的检测为例说明。本系统采用

L X K一3气体传感器，该系列元件是‘‘种广谱性的气敏元件，适用多种可燃气体的检测和报警。图6为L X K一3在该系统中的应用电路图，其差分输出电压反映了气体的浓度变化。LXK一3的输出电压范围为-50～+50mv，AD623为集成单电源仪表放大器，当R4取典型值2．56K Q时，其增益为40，在REF引脚上加2．8V电压，其输出电压范围相对于地电平为0．8～4V，该电压经A／D转换后送单片机处理。3。。

2．6驱动电路模块

驱动电路包括暖气电磁阀驱动电路、喷水电磁阀驱动电路、冷却水电磁阀驱动电路、排气扇或气窗驱动电路。受篇幅限制，本文仅简单介绍暖气供应控制过程。当单片机的I／0口输出高电平时，经光电耦合器隔离，使三极管v T饱和导通，驱动继电器吸合，其常开触点闭合，电磁阀线圈通电而打开，暖气进入大棚内，使其温度升高，当温度升高到设定值时，单片机I／0口输出低电平，暖气供给电磁阀关闭，停止供暖气。当温度隆低到一定数值时，将再次起动电磁阀供暖气，如此反复自动进行，保证大棚内温度控制在设定的范围内，以满足作物生长要求。

2．7显示模块

显示模块采用FMl2864l液晶显示模块。它是一种图形液晶显示器，采用8位数据总线与C P U接口，并行输入输出。它主要由行驱动／列驱动和l 28×64全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可显示8×4个(16×16点阵)汉字。

3 系统软件设计

系统软件采用模块设计方式，由数据采集与处理模块、C A N通信模块、输出控制模块等组成。各模块在监控系统的程序调度下协调工作。

3．1数据采集模块

主要完成土壤湿度、大棚内空气温度与湿度、棚内气体浓度等数据的采集，并进行补偿和线性转换等处理，其程序流程如图7所示…。

3．2 CAN通信模块’

由初始化程序、报文发送程序和报文接收程序3部分组成。节点的初始化指系统上电后，对微处理器和C A N控制器SJAl 000进行的初始化，以确定工作