为了调节适合蔬菜、水果生长的温室大棚温度、湿度以及二氧化碳含量等环境参数，设计开发了基于电力线通信的环境参数监控系统。将每个温室大棚设为分节点，通过STM32芯片采集各个物理量参数后，再通过FSK调制信号使用供电线路上传送给总节点后，232串口通信传输到PC机，实现了对温室大棚的实时监控。该系统硬件由电力载波模块、STM32、MX232、DHT11温湿度传感器等组成，实验结果表明，系统可以实现多个点的数据传输，运行。
关键词：电力载波；温室大棚；FSK；串口通信
我国是一个农业大国，温室大棚面积占世界及时，但对温室环境因子调控的不完善，限制了温室高效化优势的发挥，造成温室栽培的智能化程度非常低[1-2]。因此，为了实现高效农业生产的智能化程度，我们需要研发出成本低、易操作、便于维护的智能监控系统，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内的环境有利于蔬菜、水果生长，以达到低投入、高产出、高回报的效果[3]。本次研究项目主要是采用了一种网格化自动监测的方案，在蔬菜大棚中装置一定量、多个电力载波调制解调及节点监控模块，通过各种特定的传感器对大棚中各项指标进行检测，并通过串口将数据传输到PC端，通过系统自动比对PC端采集数据和设定值，可以判断蔬菜大棚中的环境状态。单片机控制继电器、通风电机、开帘、闭帘电机等装置运行，自动完成大棚中环境参数的闭环控制。
1总体结构设计
电力载波部分由多个ARM控制的KQ-330电力载波调制解调模块组成，各个节点监控模块采集到的数据传输到总调制解调模块，最终经过串口回到上位PC端，以此实现了PC端与蔬菜大棚中的各分节点监控平台通信与数据传输。节点监控模块的主控制板采用STM32单片机作为处理器，是整个系统的核心，负责控制其它各个端口。节点采集模块由两大部分组成：①与ARM连接的各种传感器，负责采集土壤状况、温湿度、光照强度、雨量大小以及二氧化碳浓度。②与ARM连接的执行机构：加热继电器、通风、开帘电动机、闭帘电动机等。
2硬件设计
2.1FSK电力载波通讯模块
低压电力线载波通信是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，来实现数据信息的传递和交换的一种通信技术[4-5]。它较大的优点是可以利用已建成的低压配电网，而不必建设新的通信网络，具有覆盖范围广和连接方便等特点[6-8]。该系统通过电力载波通讯模块以低压电线作为信号（数据）传输的媒介，并采用FSK调制方式。
2.1.1电力线通信技术
此系统的电力通信模块调制采用FSK（Frequency-shiftkeying）频移键控调制方式，它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率来传递信息的一种数字调制技术。2FSK通信技术的工作原理是通过载波频率来传送数字消息的，即用所传送的数字消息对载波频率进行控制。数字调频原理上也可通过模拟调频法实现，它有两种调制方法：1）利用矩形脉冲序列对一个载波进行调频，它是FSK早期采用的方法。2）在二进制基带矩形脉冲序列控制下，通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是抗干扰和抗衰落的性能强且易于实现，所以应用广泛。
2.2温湿度传感器
DHT11是含有已校准数字信号输出的数字温湿度复合传感器。DHT11传感器包含一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件[13-14]，与高性能8位单片机相连接。由于DHT11体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、性价比高，所以该系统选择DHT11进行温湿度采集。
2.3MX232
该系统中单片机与上位PC机需要进行串口通信，但是单片机采用TTL电平标准，而PC机采用RS－232标准的串行接口标准，因此要实现电平匹配，需要在两者之间接一个电平转换芯片[15]。美信公司MAX232芯片就是专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。
2.4ARM
载波通讯控制的核心器件采用STM32F103ZE，它是意法半导体公司生产的基于Cortex-M3的32位微处理器，较高工作频率72MHz，片内Flash容量512kByte，片内SRAM容量64kByte；具有高性能、低功耗、丰富的片内资源等特点。STM32提供了睡眠、待机、停机3种低功耗省电模式和灵活的时钟控制模式，用户可合理优化系统[16]。
3软件的设计
3.1串行异步通讯协议设计
总节点通过串口上传PC机的数据协议采用232，波特率：115200，数据位：8，停止位：1位，校验位：0位。每一帧数据总长度25个字节。
3.2串口通信软件设计
总节点的串口通信流程是当系统启动时，先进行初始化，然后判断PC机是否下发控制指令，若是则下发到对应的子节点，若否或已下发完控制指令则发送第n个子节点请求数据指令，判断地址是否匹配，如果否，则回到上一级判断指令，如果是总节点进入接收数据的状态，之后判断是否接收到子节点串口数据，如果否，则继续返回判断，如果是，则接收子节点串口数据，并判断接收是否结束，如果否，则返回判断是否接收到子节点串口数据，如果是，则给PC机上传监测数据，子节点编号加1，回到程序的大循环起点，判断是否有PC机下发的控制指令，如图4（a）所示。子节点的串口通信流程是当系统启动时，先进行初始化，然后一直进行数据采集，判断是否有控制指令，如果是，则控制执行机构执行动作，然后判断是否收到主节点的发送数据请求；如果否，直接判断是否收到主节点的发送数据请求，如果是，则上传该子节点数据，如果否，则返回程序起点，如图4（b）所示。
3.3DHT11温湿度采集
DHT11与CPU之间的通信采用单总线数据格式。空闲时总线为高电平，需要读取DHT11测量数据时，主机（MCU）拉低18ms等待DH11响应，延时等待20~40μs，DHT11发送80μs左右的低电平响应信号，待主机读取DH11响应信号后，DHT11再拉高总线80μs左右，准备数据传送，每次通信都是高位先出的顺序传输40位数据（包括16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和），等数据传送完毕，DHT11拉低总线50μs，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态[17]。
4实验结果
通过实验可知，当载波模块发送“1”时产生122.8kHz左右频率方波，发送“0”时产生131.6kHz左右频率方波。
5结论
文中研究并实现了蔬菜大棚的温湿度数据的采集和传送，硬件由控制器、传感器、电力载波通讯模块、继电器等构成，通讯调制方式采用FSK。实验结果表明，传感器采集到的数据通过载波模块可以地传输，并进行过程控制。下一步需要对电力线通信的距离进行研究，进一步完善该系统，应用在蔬菜大棚的实时监控中。
关键词：电力载波；温室大棚；FSK；串口通信
我国是一个农业大国，温室大棚面积占世界及时，但对温室环境因子调控的不完善，限制了温室高效化优势的发挥，造成温室栽培的智能化程度非常低[1-2]。因此，为了实现高效农业生产的智能化程度，我们需要研发出成本低、易操作、便于维护的智能监控系统，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内的环境有利于蔬菜、水果生长，以达到低投入、高产出、高回报的效果[3]。本次研究项目主要是采用了一种网格化自动监测的方案，在蔬菜大棚中装置一定量、多个电力载波调制解调及节点监控模块，通过各种特定的传感器对大棚中各项指标进行检测，并通过串口将数据传输到PC端，通过系统自动比对PC端采集数据和设定值，可以判断蔬菜大棚中的环境状态。单片机控制继电器、通风电机、开帘、闭帘电机等装置运行，自动完成大棚中环境参数的闭环控制。
1总体结构设计
电力载波部分由多个ARM控制的KQ-330电力载波调制解调模块组成，各个节点监控模块采集到的数据传输到总调制解调模块，最终经过串口回到上位PC端，以此实现了PC端与蔬菜大棚中的各分节点监控平台通信与数据传输。节点监控模块的主控制板采用STM32单片机作为处理器，是整个系统的核心，负责控制其它各个端口。节点采集模块由两大部分组成：①与ARM连接的各种传感器，负责采集土壤状况、温湿度、光照强度、雨量大小以及二氧化碳浓度。②与ARM连接的执行机构：加热继电器、通风、开帘电动机、闭帘电动机等。
2硬件设计
2.1FSK电力载波通讯模块
低压电力线载波通信是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，来实现数据信息的传递和交换的一种通信技术[4-5]。它较大的优点是可以利用已建成的低压配电网，而不必建设新的通信网络，具有覆盖范围广和连接方便等特点[6-8]。该系统通过电力载波通讯模块以低压电线作为信号（数据）传输的媒介，并采用FSK调制方式。
2.1.1电力线通信技术
此系统的电力通信模块调制采用FSK（Frequency-shiftkeying）频移键控调制方式，它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率来传递信息的一种数字调制技术。2FSK通信技术的工作原理是通过载波频率来传送数字消息的，即用所传送的数字消息对载波频率进行控制。数字调频原理上也可通过模拟调频法实现，它有两种调制方法：1）利用矩形脉冲序列对一个载波进行调频，它是FSK早期采用的方法。2）在二进制基带矩形脉冲序列控制下，通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是抗干扰和抗衰落的性能强且易于实现，所以应用广泛。
2.2温湿度传感器
DHT11是含有已校准数字信号输出的数字温湿度复合传感器。DHT11传感器包含一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件[13-14]，与高性能8位单片机相连接。由于DHT11体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、性价比高，所以该系统选择DHT11进行温湿度采集。
2.3MX232
该系统中单片机与上位PC机需要进行串口通信，但是单片机采用TTL电平标准，而PC机采用RS－232标准的串行接口标准，因此要实现电平匹配，需要在两者之间接一个电平转换芯片[15]。美信公司MAX232芯片就是专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。
2.4ARM
载波通讯控制的核心器件采用STM32F103ZE，它是意法半导体公司生产的基于Cortex-M3的32位微处理器，较高工作频率72MHz，片内Flash容量512kByte，片内SRAM容量64kByte；具有高性能、低功耗、丰富的片内资源等特点。STM32提供了睡眠、待机、停机3种低功耗省电模式和灵活的时钟控制模式，用户可合理优化系统[16]。
3软件的设计
3.1串行异步通讯协议设计
总节点通过串口上传PC机的数据协议采用232，波特率：115200，数据位：8，停止位：1位，校验位：0位。每一帧数据总长度25个字节。
3.2串口通信软件设计
总节点的串口通信流程是当系统启动时，先进行初始化，然后判断PC机是否下发控制指令，若是则下发到对应的子节点，若否或已下发完控制指令则发送第n个子节点请求数据指令，判断地址是否匹配，如果否，则回到上一级判断指令，如果是总节点进入接收数据的状态，之后判断是否接收到子节点串口数据，如果否，则继续返回判断，如果是，则接收子节点串口数据，并判断接收是否结束，如果否，则返回判断是否接收到子节点串口数据，如果是，则给PC机上传监测数据，子节点编号加1，回到程序的大循环起点，判断是否有PC机下发的控制指令，如图4（a）所示。子节点的串口通信流程是当系统启动时，先进行初始化，然后一直进行数据采集，判断是否有控制指令，如果是，则控制执行机构执行动作，然后判断是否收到主节点的发送数据请求；如果否，直接判断是否收到主节点的发送数据请求，如果是，则上传该子节点数据，如果否，则返回程序起点，如图4（b）所示。
3.3DHT11温湿度采集
DHT11与CPU之间的通信采用单总线数据格式。空闲时总线为高电平，需要读取DHT11测量数据时，主机（MCU）拉低18ms等待DH11响应，延时等待20~40μs，DHT11发送80μs左右的低电平响应信号，待主机读取DH11响应信号后，DHT11再拉高总线80μs左右，准备数据传送，每次通信都是高位先出的顺序传输40位数据（包括16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和），等数据传送完毕，DHT11拉低总线50μs，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态[17]。
4实验结果
通过实验可知，当载波模块发送“1”时产生122.8kHz左右频率方波，发送“0”时产生131.6kHz左右频率方波。
5结论
文中研究并实现了蔬菜大棚的温湿度数据的采集和传送，硬件由控制器、传感器、电力载波通讯模块、继电器等构成，通讯调制方式采用FSK。实验结果表明，传感器采集到的数据通过载波模块可以地传输，并进行过程控制。下一步需要对电力线通信的距离进行研究，进一步完善该系统，应用在蔬菜大棚的实时监控中。
