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嵌入式温室环境监测系统设计方案分析
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2017-10-19
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温室生产作为高效、高科技含量的大规模生产方式已经成为世界农业的发展趋势。温室设施的自动监测和控制技术可以为农作物创造良好的生长环境，节约人力成本，提高农作物的产量，因此需要开发与温室相关的自动化技术，以降低运行成本、提高效率、实现环境的精确控制。我国目前的温室没施综合监测水平不高，控制能力比较差，带有综合环境自动调节的高科技温室主要从国外引进。笔者开发了以S3C2 440为核心的嵌入式环境监测系统可以完成温室环境参数的监测和收集，同时通过输出机构实时控制温室环境以达到温室监测和控制智能化的目的，具有精度高，智能控制等优点。
软件工程领域最重要的、具有划时代意义成果之一的就是统一建模语言UML（Unified Modeling Language）的出现。开发系统可以借助UML的CASE工具来完成从软件的分析、设计、实现到测试的一系列软件工程过程，大大提高了软件开发的复用性和效率，降低了软件开发过程中的返工率。文中采用了UML方法来设计一个软硬件都要考虑的温室环境监测系统，从而体现了UML强大的表达能力，该系统用UML表达清晰、严谨、易于实现。
1 温室环境监测系统组成
系统主要架构如图1所示，系统由上位机、下位机和执行结构组成。上位机为PC机可以处理下位机传送的温室环境参数同时可以给下位机发出指令。下位机是以Samsung S3C2440为主控制器，资源丰富功能强大，其主频为400MHZ，最高可达533MHZ，内存为64MSDRAM，数据总线32 bit，S3C2440还支持以太网卡，很容易实现网络功能。其他主要部件有温湿度传感器SHT11，光照传感器TSI2561和CO2传感器NAP-21ACO2液晶显示模块等基本部件。输出执行结构包括循环风机、喷水系统、内外遮阳电机等。
1．1 传感器电路
1．1．1 温湿度传感器
SHT11温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装，由于将传感器与电路部分结合在一起，因此传感器具有比其它类型的湿度传感器优越的多的性能。传感器可直接通过I2C总线与ARM连接，减少电路硬件成本，简化电路。系统中为了同时测量温室内的温湿度值，将各SHT11的SCK先接到S3C2440的同一个I／O口，而DATA线则分别接到不同的I／O上。
1．1. 2 CO2浓度监测和光强度监测
CO2浓度监测采用NEMOTO公司生产的NAP-21ACO2传感器，NAP-21A输出线性好，有较好的长期稳定性与极好的重复性及精度。该传感器是一种热传导式CO2传感器，在不同浓度的CO2气体中其阻值与CO2的浓度成线性关系，传感器通过放大器连接。光强测量选用TAOS公司的TSI25 61光强度传感器，该传感器具有数字式输出端口和标准I2C总线接口，测量的照度范围为1～70 000lx，功耗仅为0．75mW。TS1256具有高速、低功耗、宽量程、可编程配置的特点。可以设置光强度上、下阈值，控制执行结构的遮阳板。
1．2 输出执行结构
系统的执行机构包括循环风机、喷水系统、内外遮阳电机等。利用微控制器输出高低电平，控制开关。当温室内的温度、湿度、CO2等各个环境参数，通过无线数据采集系统采集到微控制器并显示出来，再由有线通讯模块传送到上位机系统，与数据库进行比对，得出适合该种作物的环境参数，上位机通过通讯模块发送信息到下位机，下位机再根据各个信息发出执行命令控制执行机构。当然也可以直接通过下位机发出执行命令控制执行结构，注意下位机执行输出机构只在特殊情况下使用。具体部署图如图1所示。
带阴影的是处理器，处理器处理温室环境信息，发送到执行装置，不带阴影的是执行装置，分别执行相关命令。
软件工程领域最重要的、具有划时代意义成果之一的就是统一建模语言UML（Unified Modeling Language）的出现。开发系统可以借助UML的CASE工具来完成从软件的分析、设计、实现到测试的一系列软件工程过程，大大提高了软件开发的复用性和效率，降低了软件开发过程中的返工率。文中采用了UML方法来设计一个软硬件都要考虑的温室环境监测系统，从而体现了UML强大的表达能力，该系统用UML表达清晰、严谨、易于实现。
1 温室环境监测系统组成
系统主要架构如图1所示，系统由上位机、下位机和执行结构组成。上位机为PC机可以处理下位机传送的温室环境参数同时可以给下位机发出指令。下位机是以Samsung S3C2440为主控制器，资源丰富功能强大，其主频为400MHZ，最高可达533MHZ，内存为64MSDRAM，数据总线32 bit，S3C2440还支持以太网卡，很容易实现网络功能。其他主要部件有温湿度传感器SHT11，光照传感器TSI2561和CO2传感器NAP-21ACO2液晶显示模块等基本部件。输出执行结构包括循环风机、喷水系统、内外遮阳电机等。
1．1 传感器电路
1．1．1 温湿度传感器
SHT11温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装，由于将传感器与电路部分结合在一起，因此传感器具有比其它类型的湿度传感器优越的多的性能。传感器可直接通过I2C总线与ARM连接，减少电路硬件成本，简化电路。系统中为了同时测量温室内的温湿度值，将各SHT11的SCK先接到S3C2440的同一个I／O口，而DATA线则分别接到不同的I／O上。
1．1. 2 CO2浓度监测和光强度监测
CO2浓度监测采用NEMOTO公司生产的NAP-21ACO2传感器，NAP-21A输出线性好，有较好的长期稳定性与极好的重复性及精度。该传感器是一种热传导式CO2传感器，在不同浓度的CO2气体中其阻值与CO2的浓度成线性关系，传感器通过放大器连接。光强测量选用TAOS公司的TSI25 61光强度传感器，该传感器具有数字式输出端口和标准I2C总线接口，测量的照度范围为1～70 000lx，功耗仅为0．75mW。TS1256具有高速、低功耗、宽量程、可编程配置的特点。可以设置光强度上、下阈值，控制执行结构的遮阳板。
1．2 输出执行结构
系统的执行机构包括循环风机、喷水系统、内外遮阳电机等。利用微控制器输出高低电平，控制开关。当温室内的温度、湿度、CO2等各个环境参数，通过无线数据采集系统采集到微控制器并显示出来，再由有线通讯模块传送到上位机系统，与数据库进行比对，得出适合该种作物的环境参数，上位机通过通讯模块发送信息到下位机，下位机再根据各个信息发出执行命令控制执行机构。当然也可以直接通过下位机发出执行命令控制执行结构，注意下位机执行输出机构只在特殊情况下使用。具体部署图如图1所示。
带阴影的是处理器，处理器处理温室环境信息，发送到执行装置，不带阴影的是执行装置，分别执行相关命令。
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