CN102538877A - 一种温室环境监测系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温室环境监测系统，包括上位机和下位机，其特征在于，所述上位机和下位机通过RS232/485转换器建立通信连接，所述下位机的硬件部分包括主芯片单元、命令输入单元、显示输出单元、综合测量单元和电源模块，所述主芯片单元分别与命令输入单元、显示输出单元、RS232/485转换器和综合测量单元连接，所述电源模块分别和主芯片单元和综合测量单元连接并为其提供电源，所述综合测量单元包括空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、电路放大电流和A/D转换芯片，所述二氧化碳传感器通过电路放大电流和A/D转换芯片与主芯片单元连接并为其提供传感信号。本发明的有益效果是：可监测温室多种环境值，实时响应系统输入命令。

Description

一种温室环境监测系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及一种温室环境监测系统的技术领域，特别是具有多种功能的整套温室环境监测系统。

背景技术

目前，现代温室朝着集约化、规模化的方向发展，对于温室智能化管理的要求日益提高，对温室环境数据(如空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度等)的监测是温室、大棚高产的基本前提。传统的温室监测系统下位机部分功能简单，通常只能实现数据的采集、传送功能，仅能由上位机进行系统控制命令的输入和执行结果的输出，不具有温室本地化操作和显示的功能，不利于现场控制，存在控制方式单一的缺点。传统的温室监测系统大多只监测空气温湿度，而实际上在农作物的不同生长阶段对于二氧化碳的要求是不尽相同的，存在监测量单一的缺点。传统的温室监测系统下位机软件采用单任务、前后台的工作方式，存在实时性不强的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了为了克服传统温室环境监测系统控制方式单一、监测量单一的缺点，提供了一种温室环境监测系统及其通信方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种温室环境监测系统，包括上位机和下位机，其特征在于，所述上位机和下位机通过RS232/485转换器建立通信连接，所述下位机的硬件部分包括主芯片单元、命令输入单元、显示输出单元、综合测量单元和电源模块，所述主芯片单元分别与命令输入单元、显示输出单元、RS232/485转换器和综合测量单元连接，所述电源模块分别和主芯片单元和综合测量单元连接并为其提供电源，所述综合测量单元包括空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、电路放大电流和A/D转换芯片，所述二氧化碳传感器通过电路放大电流和A/D转换芯片与主芯片单元连接并为其提供传感信号，所述空气温湿度传感器直接与主芯片单元连接并为其提供传感信号。

本发明的另一技术方案是：一种温室环境监测系统的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：下位机操作系统任务构建；首先进行初始化内核，建立系统级的统计任务和空闲任务，随后进行初始化系统参数，确定系统的时钟参数和各种硬件参数，还包括任务运行所需要的空间、全局变量等系统资源；初始化串口、液晶显示器则执行串口初始化操作，如确定通讯波特率，确定液晶器的显示规则等；随后建立主任务，并将其设为最高优先级，主任务完成余下用户级任务的建立工作；

步骤2：上下位机不同通讯数据流的区分；构造不同的“标志首字符”用于区分上位机和下位机之间的各种通讯数据流，规定每次完整的通讯数据流长度为8个字节，这由通讯量最大的任务即液晶屏显示任务所决定；第一个字节为标志首字符，其余字节为数据流内容串口数据，接收任务能够按照不同的标志首字符进行命令的解码操作，并根据解码结果对信号量集的特定位进行置位操作，如果解码结果为液晶屏显示任务则还需要将解码数据送入特定消息邮箱；

步骤3：下位机多任务间的通讯；系统构建了消息队列数组1、信号量集、消息邮箱1、消息队列数组2以及消息邮箱2用于多任务间的通讯；

步骤4：上位机软件构建。

本发明的有益效果是：针对传统温室环境监测系统控制方式单一、监测量单一、实时性不强的三个缺点，本发明采用相适应的系统与方法，分别从硬件和软件层面上统一克服了上述缺点，本发明具有本地化系统操作或上位机系统操作的功能，可监测温室多种环境值，实时响应系统输入命令。此外，上位机还能进行数据存储、回溯，本发明还具有硬件和软件便于升级的优点。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是下位机操作系统初始化流程图；

图3是UC/OS-II嵌入式操作系统任务关系图；

图4是串口ISR流程图；

图5是上位机软件结构图；

图6是上位机软件功能划分示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

首先介绍本发明的系统结构，如附图1所示，本发明系统结构主要包括上位机和下位机部分。上位机采用PC机，通过RS232/485转换器与下位机主芯片相连接，使得通讯距离能够可达1200米。下位机硬件部分包括主芯片单元、命令输入单元、显示输出单元、综合测量单元、电源模块。

下面，为了便于本领域的普通技术人员了解并可以实施本发明，对上述系统下位机各单元和模块的具体情况做进一步详细的描述：

主芯片单元：作为下位机的核心芯片。本实施例选用ARM-7系列芯片LPC2100，该芯片具有高安全性和高可靠性等优点。

命令输入单元：适用于本地化系统命令的输入。本实施例选用外设按键配合74HC148编码器实现，可以节约芯片引脚，采用优先编码器进行外设按键编码而非按键直接连接主芯片引脚的连接方式，为系统扩容升级提供冗余。

显示输出单元：用于在本地化显示和输出。显示和输出的数据由上位机经串口发送而来，本实施例中采用LCD1602液晶显示器、蜂鸣器和LED灯。LCD1602液晶显示器可用于实时显示环境数据以及其他上位机要求显示的信息，环境测量值超过警戒值时则通过蜂鸣器和LED灯报警。

综合测量单元：是温室环境值的直接感知部分，由空气温湿度传感器和二氧化碳传感器、电路放大电流和A/D转换芯片组成。本实施例中选用SHT75湿度传感器测量空气温湿度数据，SHT75是数字型传感器，是由sensirion公司生产的世界领先的传感器，测量范围广，可在-40℃到+123.8℃的范围内使用，精度高误差小于±1.8％RH，功耗低；选用MG811传感器作为二氧化碳传感器，MG811为模拟型传感器，输出电压信号，需将采集到的信号送入电流放大装置进行放大，之后通过模/数转换器将模拟信号转为数字信号之后送入LPC2100主芯片进行处理，SHT75为数字传感器，可直接将采集数据送入LPC2100主芯片，本发明提供了数字型传感器和模拟型传感器的处理方案，能够便于后期扩容。

电源模块：用于为系统提供工作电源。本实施例采用外接电源供电，分别为主芯片和二氧化碳传感器供电。

为了便于本领域的普通技术人员进一步了解本发明，下面介绍本发明与系统相适应的方法，主要包括：步骤1：下位机操作系统任务构建；步骤2：上下位机不同通讯数据流的区分；步骤3：下位机多任务间的通讯；步骤4：上位机软件构建。

为了便于本领域的普通技术人员进一步了解本发明，首先介绍步骤1：下位机操作系统任务构建：本系统的下位机软件操作系统采用μC/OS-II，它是可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，抢占式的，实时多任务操作系统内核。它被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理，具有执行效率高，占用空间小，实时性优良的特点。

下位机主程序流程图如附图2所示。首先进行初始化内核，建立系统级的统计任务和空闲任务，随后进行初始化系统参数，确定系统的时钟参数和各种硬件参数，还包括任务运行所需要的空间、全局变量等系统资源。初始化串口、液晶显示器则执行串口初始化操作，如确定通讯波特率，确定液晶器的显示规则等。

随后建立主任务，并将其设为最高优先级，主任务完成余下用户级任务的建立工作，然后执行μC/OS-II中OSStart()函数将控制权交还操作系统内核，此后下位机的系统资源均由μC/OS-II操作系统分配。

系统共建立10个用户级任务，其优先级由高到低和其主要功能如下所示：

1)主任务，依次建立其他任务；

2)外部中断任务，判定按键种类，并根据按键种类执行相应操作；

3)报警任务，根据上位机警报消息执行报警功能，包括点亮LED灯，使蜂鸣器发出警报声响；

4)复位任务，执行下位机复位功能；

5)串口接收任务，判定上位机所传送数据流种类，判定外置按键的命令种类；

6)串口数据发送任务，通过轮询方式将数据发送至上位机；

7)温湿度数据采集任务，用于采集SHT75温湿度数据；

8)二氧化碳浓度采集任务，用于采集二氧化碳浓度数据；

9)自动采集任务，按预设周期自动采集环境数据并上传至上位机；

10)液晶屏显示任务，根据上位机所传输的数据流，启动液晶屏显示相应数据。

为了便于本领域的普通技术人员进一步了解本发明，下面介绍步骤2：上下位机不同通讯数据流的区分：

构造不同的“标志首字符”用于区分上位机和下位机之间的各种通讯数据流，规定每次完整的通讯数据流长度为8个字节，这由通讯量最大的任务即液晶屏显示任务所决定。第一个字节为标志首字符，其余字节为数据流内容串口数据，接收任务能够按照不同的标志首字符进行命令的解码操作，并根据解码结果对信号量集的特定位进行置位操作，如果解码结果为液晶屏显示任务则还需要将解码数据送入特定消息邮箱。

本系统设定的串口通讯数据流标志首字符如下表所示：

数据流方向	数据流种类	标志首字符
			下位机->上位机	温湿度数据	‘A’
下位机->上位机	二氧化碳浓度数据	‘B’
			下位机->上位机	外设按键输入	‘C’
上位机->下位机	执行自动采集任务	‘a’
			上位机->下位机	执行温湿度数据采集任务	‘b’
上位机->下位机	执行复位任务	‘c’
			上位机->下位机	液晶屏应显示数据	‘d’
上位机->下位机	报警信息	‘e’

为了便于本领域的普通技术人员进一步了解本发明，下面将介绍步骤3：下位机多任务间的通讯。系统构建了消息队列数组1、信号量集、消息邮箱1、消息队列数组2以及消息邮箱2用于多任务间的通讯。附图3是UC/OS-II嵌入式操作系统任务关系图，描述了上述通讯媒介的信息来源与去向，下面将从五个通讯媒介的信息来源与去向阐述本发明的下位机多任务的通讯方法：

1、消息队列数组1：消息队列数组1的信息来源为串口ISR，信息流去向为串口接受任务。具体描述：串口ISR示意图如附图4所示。为尽量简化串口ISR的功能，使之能够具有很短的处理时间，串口ISR仅将上位机发送的字符流送入消息队列数组1的中，本实施例设置该数组大小为30。串口ISR每次接受一条完成数据流，即8个字节，分两次连续向消息队列1发送消息，每次4个字节，由于消息指针的长度恰好为4个字节，则将完整数据流的8个字节分为两段送入消息指针位置，这样省去消息内容数组，可加快串口中断任务处理速度。

2、信号量集：信号量集的信息来源为串口接收任务、自动采集任务和外部中断任务，信息流去向为液晶屏显示任务、自动采集任务、复位任务、报警任务、二氧化碳浓度采集任务和温湿度数据采集任务。

具体描述：串口数据接收任务能够按照前述的上下位机不同通讯数据流的区分方法进行解码操作，并根据解码结果对信号量集的特定位进行置位操作，构造一个信号量集Sem_Flag实现多任务的通信，复位任务、报警任务、液晶器任务、自动采集任务、二氧化碳浓度采集任务、温湿度采集任务分别关联该信号量集标志组中的一位或两位数据，当所关联的数据位为1时则对应任务就绪。本实例中不同任务与信号量集的标志事件组各位关联关系如下所示：

OS_FLAGFLAGS各位	对应任务	置位操作来源
			第0位	温湿度数据采集任务	串口接收任务
第1位	温湿度数据采集任务	外部中断任务
			第2位	二氧化碳浓度采集任务	串口接收任务
第3位	二氧化碳浓度采集任务	外部中断任务
			第4位	自动采集任务	串口接收任务
第5位	自动采集任务	外部中断任务
			第6位	复位任务	串口接收任务
第7位	复位任务	外部中断任务
			第8位	报警任务	串口接收任务
第9位	液晶显示屏任务	串口接收任务

其中报警任务和液晶显示屏任务所请求的信号量集的标志组位只能够由串口任务发送，即报警与否和液晶显示数据应由上位机确定。其余任务可通过上位机或外设按键共同启动。

OS_FLAGFLAGS中0至9位任意一位为1，则启动相关联的任务，信号量集标志组的清零工作由应响应任务完成，且清零工作必须在相应任务的入口处首先完成，从而避免重复调用时的错误运行。

自动采集任务较为特殊，它能够以特定周期采集温湿度传感器、二氧化碳传感器的数据，既需要等待信号量集的信号，又需要在被触发的时候将信号量集置位。

3、消息邮箱1：

消息邮箱1的信息来源为串口接收任务，信息去向为液晶屏显示任务。

具体描述：当串口接收任务采用前述的上下位机不同通讯数据流的区分方法进行解码操作时，如果解码结果为液晶屏显示任务则还需要将解码数据送入消息邮箱1。液晶屏显示任务所需要的数据量更大，不能够仅通过信号量集的信息进行操作，因而格外构造了消息邮箱1。

4、消息队列数组2：

消息队列数组2的信息来源为外部中断子程序，信息去向为外部中断任务。

具体描述：实施例中尽量简化外部中断子程序的功能，使之仅完成将按键号送入消息队列数组2中消息指针的位置，同样采取冒充消息指针的方式省去消息数组。外部中断任务则根据消息数组2的消息指针内容进行解码操作，首先将解码结果送至上位机，即通知上位机进行了何种按键操作，随后根据解码结果对信号量集的标志事件组的相关位置位。

5、消息邮箱2：

消息邮箱2的信息来源为二氧化碳浓度采集任务、温湿度数据采集任务和外部中断任务，信息去向为串口数据发送任务。

具体描述：二氧化碳浓度采集任务、温湿度数据采集任务、外部中断任务需要传送数据到上位机，此三个任务将所需发送数据送入消息邮箱2，消息邮箱2一旦为不为空，则串口数据发送任务按照轮询的方式发送数据流。

为了便于本领域的普通技术人员进一步了解本发明，下面将介绍步骤5：上位机软件构建：

上位机通过串口与主芯片单元进行通信。上位机软件利用Microsoft Visual Studio2008开发环境，采用C#语言实现。

上位机软件功能划分示意图如附图5所示，主要包括以下功能模块：串口操作、数据操作、命令选择、报警处理和数据存储。串口通信模块的开发采用C#自带的SerialPort控件实现。其中数据存储功能采用ADO.NET方式连接Access数据库实现。

上位机软件结构图如附图6所示，系统上位机软件结构分为三部分：1)可视化界面，2)数据库，3)后台软件。

其中系统数据库采用Access数据库，在数据库中设计一张datasheet表，有“日期”、“时间”、“温度值”、“湿度值”和“二氧化碳浓度”五项。采集到的传感器数据转化为实际数值后存入表中，同时调用系统时间盖上时间戳。为保证数据安全性，可视化操作界面只能够实现数据的查询以及报表导出，数据写入操作由后台代码根据串口数据自动完成。可视化界面通过后台软件与数据库交互，下位机和上位机的数据流传输也通过后台软件完成。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种温室环境监测系统，包括上位机和下位机，其特征在于，所述上位机和下位机通过RS232/485转换器建立通信连接，所述下位机的硬件部分包括主芯片单元、命令输入单元、显示输出单元、综合测量单元和电源模块，所述主芯片单元分别与命令输入单元、显示输出单元、RS232/485转换器和综合测量单元连接，所述电源模块分别和主芯片单元和综合测量单元连接并为其提供电源，所述综合测量单元包括空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、电路放大电流和A/D转换芯片，所述二氧化碳传感器通过电路放大电流和A/D转换芯片与主芯片单元连接并为其提供传感信号，所述空气温湿度传感器直接与主芯片单元连接并为其提供传感信号。

2.一种温室环境监测系统的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：下位机操作系统任务构建；首先进行初始化内核，建立系统级的统计任务和空闲任务，随后进行初始化系统参数，确定系统的时钟参数和各种硬件参数，还包括任务运行所需要的空间、全局变量等系统资源；初始化串口、液晶显示器则执行串口初始化操作，如确定通讯波特率，确定液晶器的显示规则等；随后建立主任务，并将其设为最高优先级，主任务完成余下用户级任务的建立工作；

步骤2：上下位机不同通讯数据流的区分；构造不同的“标志首字符”用于区分上位机和下位机之间的各种通讯数据流，规定每次完整的通讯数据流长度为8个字节，这由通讯量最大的任务即液晶屏显示任务所决定；第一个字节为标志首字符，其余字节为数据流内容串口数据，接收任务能够按照不同的标志首字符进行命令的解码操作，并根据解码结果对信号量集的特定位进行置位操作，如果解码结果为液晶屏显示任务则还需要将解码数据送入特定消息邮箱；

步骤3：下位机多任务间的通讯；系统构建了消息队列数组1、信号量集、消息邮箱1、消息队列数组2以及消息邮箱2用于多任务间的通讯；

步骤4：上位机软件构建。

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