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摘要：為了調節適合蔬菜、水果生長的溫室大棚溫度、濕度以及二氧化碳含量等環境參數，設計開發了基于電力線通信的環境參數監控系統。將每個溫室大棚設為分節點，通過STM32芯片采集各個物理量參數后，再通過FSK調制信號使用供電線路上傳送給總節點后，232串口通信傳輸到PC機，實現了對溫室大棚的實時監控。該系統硬件由電力載波模塊、STM32、MX232、DHT11溫濕度傳感器等組成，實驗結果表明，系統可以實現多個點的數據傳輸，運行可靠。

關鍵詞：電力載波；溫室大棚；FSK；串口通信

我國是一個農業大國，溫室大棚面積占世界第一，但對溫室環境因子調控的不完善，限制了溫室高效化優勢的發揮，造成溫室栽培的智能化程度非常低[1-2]。因此，為了實現高效農業生產的智能化程度，我們需要研發出成本低、易操作、便于維護的智能監控系統，科學合理地調節大棚內溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內的環境有利于蔬菜、水果生長，以達到低投入、高產出、高回報的效果[3]。本次研究項目主要是采用了一種網格化自動監測的方案，在蔬菜大棚中裝置一定量、多個電力載波調制解調及節點監控模塊，通過各種特定的傳感器對大棚中各項指標進行檢測，并通過串口將數據傳輸到PC端，通過系統自動比對PC端采集數據和設定值，可以判斷蔬菜大棚中的環境狀態。單片機控制繼電器、通風電機、開簾、閉簾電機等裝置運行，自動完成大棚中環境參數的閉環控制。

1總體結構設計

電力載波部分由多個ARM控制的KQ-330電力載波調制解調模塊組成，各個節點監控模塊采集到的數據傳輸到總調制解調模塊，最終經過串口回到上位PC端，以此實現了PC端與蔬菜大棚中的各分節點監控平臺通信與數據傳輸。節點監控模塊的主控制板采用STM32單片機作為處理器，是整個系統的核心，負責控制其它各個端口。節點采集模塊由兩大部分組成：①與ARM連接的各種傳感器，負責采集土壤狀況、溫濕度、光照強度、雨量大小以及二氧化碳濃度。②與ARM連接的執行機構：加熱繼電器、通風、開簾電動機、閉簾電動機等。

2硬件設計

2.1FSK電力載波通訊模塊

低壓電力線載波通信是指利用已有的低壓配電網作為傳輸媒介，來實現數據信息的傳遞和交換的一種通信技術[4-5]。它最大的優點是可以利用已建成的低壓配電網，而不必建設新的通信網絡，具有覆蓋范圍廣和連接方便等特點[6-8]。該系統通過電力載波通訊模塊以低壓電線作為信號（數據）傳輸的媒介，并采用FSK調制方式。

2.1.1電力線通信技術

此系統的電力通信模塊調制采用FSK（Frequency-shiftkeying）頻移鍵控調制方式，它是利用基帶數字信號離散取值特點去鍵控載波頻率來傳遞信息的一種數字調制技術。2FSK通信技術的工作原理是通過載波頻率來傳送數字消息的，即用所傳送的數字消息對載波頻率進行控制。數字調頻原理上也可通過模擬調頻法實現，它有兩種調制方法：1）利用矩形脈沖序列對一個載波進行調頻，它是FSK早期采用的方法。2）在二進制基帶矩形脈沖序列控制下，通過開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通。鍵控法的特點是抗干擾和抗衰落的性能強且易于實現，所以應用廣泛。

2.2溫濕度傳感器

DHT11是含有已校準數字信號輸出的數字溫濕度復合傳感器。DHT11傳感器包含一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件[13-14]，與高性能8位單片機相連接。由于DHT11體積小、功耗低、響應速度快、抗干擾能力強、控制簡單、性價比高，所以該系統選擇DHT11進行溫濕度采集。

2.3MX232

該系統中單片機與上位PC機需要進行串口通信，但是單片機采用TTL電平標準，而PC機采用RS－232標準的串行接口標準，因此要實現電平匹配，需要在兩者之間接一個電平轉換芯片[15]。美信公司MAX232芯片就是專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5V單電源供電。

2.4ARM

載波通訊控制的核心器件采用STM32F103ZE，它是意法半導體公司生產的基于Cortex-M3的32位微處理器，最高工作頻率72MHz，片內Flash容量512kByte，片內SRAM容量64kByte；具有高性能、低功耗、豐富的片內資源等特點。STM32提供了睡眠、待機、停機3種低功耗省電模式和靈活的時鐘控制模式，用戶可合理優化系統[16]。

3軟件的設計

3.1串行異步通訊協議設計

總節點通過串口上傳PC機的數據協議采用232，波特率：115200，數據位：8，停止位：1位，校驗位：0位。每一幀數據總長度25個字節。

3.2串口通信軟件設計

總節點的串口通信流程是當系統啟動時，先進行初始化，然后判斷PC機是否下發控制指令，若是則下發到對應的子節點，若否或已下發完控制指令則發送第n個子節點請求數據指令，判斷地址是否匹配，如果否，則回到上一級判斷指令，如果是總節點進入接收數據的狀態，之后判斷是否接收到子節點串口數據，如果否，則繼續返回判斷，如果是，則接收子節點串口數據，并判斷接收是否結束，如果否，則返回判斷是否接收到子節點串口數據，如果是，則給PC機上傳監測數據，子節點編號加1，回到程序的大循環起點，判斷是否有PC機下發的控制指令，如圖4（a）所示。子節點的串口通信流程是當系統啟動時，先進行初始化，然后一直進行數據采集，判斷是否有控制指令，如果是，則控制執行機構執行動作，然后判斷是否收到主節點的發送數據請求；如果否，直接判斷是否收到主節點的發送數據請求，如果是，則上傳該子節點數據，如果否，則返回程序起點，如圖4（b）所示。

3.3DHT11溫濕度采集

DHT11與CPU之間的通信采用單總線數據格式。空閑時總線為高電平，需要讀取DHT11測量數據時，主機（MCU）拉低18ms等待DH11響應，延時等待20~40μs，DHT11發送80μs左右的低電平響應信號，待主機讀取DH11響應信號后，DHT11再拉高總線80μs左右，準備數據傳送，每次通信都是高位先出的順序傳輸40位數據（包括16bit濕度數據+16bit溫度數據+8bit校驗和），等數據傳送完畢，DHT11拉低總線50μs，隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態[17]。

4實驗結果

通過實驗可知，當載波模塊發送“1”時產生122.8kHz左右頻率方波，發送“0”時產生131.6kHz左右頻率方波。

5結論

文中研究并實現了蔬菜大棚的溫濕度數據的采集和傳送，硬件由控制器、傳感器、電力載波通訊模塊、繼電器等構成，通訊調制方式采用FSK。實驗結果表明，傳感器采集到的數據通過載波模塊可以可靠地傳輸，并進行過程控制。下一步需要對電力線通信的距離進行研究，進一步完善該系統，應用在蔬菜大棚的實時監控中。

參考文獻：

[1]張衛東.我國溫室發展的現狀及發展建議[J].科技信息，2013（10）:439.

[2]鐘鋼.國內外溫室發展歷程、現狀及趨勢[J].農業科技與裝備，2013（9）:68-69.

[3]劉峰，張明宇.國內外設施農業發展現狀及問題分析[J].農業技術與裝備，2014（7）:23-27.

[4]汪義旺，張波，吳爍.基于電力載波通信的LED隧道照明控制器設計[J].電源技術研究與設計，2011，28（8）:985-987.

[5]高云，黃漢英，賈桂鋒，等.電力載波通信技術在溫室數據采集系統上的應用[J].湖北農業科學，2009，48（10）:2569-2572.

[6]陳風，鄭文剛，申軍，等.低壓電力線載波通信技術及應用[J].電力系統保護與控制，2009，37（22）:188-195.

[7]向敏，王時賢，趙星宇.一種基于電力載波通信的路燈控制系統集中器的設計[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2013，25（2）:161-165.

[8]梁波，周生偉，韓云.電力載波技術在用電信息采集系統中的應用[J].電力系統通信，2013，34（244）:78-81.

[9]李文瑞.低壓電力線載波通信技術探討[J].電子制作，2015（12）:160.

[10]馬曉奇.電力線載波通信技術發展現狀及其應用前景[J].機電設備，2014（3）:36-40.

[11]應亞萍，許建鳳，陳婉君.2FSK調制解調系統的FPGA設計與實現[J].浙江工業大學學報，2010，38（3）:282-285.

[12]鄭爭兵.基于FPGA的FSK調制解調系統設計[J].陜西理工學院學報：自然科學版，2012，28（5）:20-24.

[13]卜永波，羅小玲，陳一.基于DHT11傳感器的溫濕度采集系統[J].計算機與現代化，2013（11）:133-135.

[14]顏麗娜，王順忠，張鐵民.基于DHT11溫濕度測控系統的設計[J].海南師范大學學報：自然科學版，2013，26（4）:397-399.

[15]田衛華，王占元，姜凌，等.基于FSK_KQ100模塊的低壓電力載波通訊電路設計[J].沈陽工程學院學報:自然科學版，2006，2（1）:44-46.

[16]尤洋，文小玲，鄒艷華.一種無線溫度監控系統的設計與實現[J].武漢工程大學學報，2015（1）:30-34.

[17]倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（6）:60-62.

作者：晏涌；裴夢瑤；劉學君；魯瑩；袁碧賢 單位：北京石油化工學院