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基于和风电能源的农业大棚监控系统设计(2)

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图3 MSP430F149最小系统电路

在主机中，主控器的串口UART_1连接SIM900A，通过移动运营商的GPRS网络平台建立与工作站监控终端的远程无线通信，执行P2P连接方式传输控制命令和农业参数。主控机的UART_0连接SP3485，通过485总线网将包含目的地址的数据报广播到局域网的所有站点上，各站点被中断唤醒后效验从机地址是否对应，进入AM模式将站点地址、环境参数封装数据包反馈给主机。主机效验从机地址后，检查环境参数是否超过限位阀值，若超出限定值，传递参数给远程服务器的同时，按照译码器原理驱动继电器阵列启动加温器、通窗、水泵等环境调节的执行机构，将参数调节到正常范围。

主控器和各大棚的各从机节点组成一个局域网，网络拓扑结构为总线型，各站点通过SP3485E模块连接在总线网上，局域网工作的层次跨域数据链路层和物理层。主控器与从机执行客户-服务器(C/S)连接方式，数据链路层采用多点线路探询接入控制，针对大棚监控系统实时性要求不高的特点，主机在总线网上广播主机MAC帧、从机MAC帧唯一响应的方案避免多点接入碰撞的，与星型网和环形网相比通信成本更为经济。局域网中数据报的MAC帧分为主机MAC帧和从机MAC帧，MAC帧格式(图4)中，链路层数据报采用可变长字段，帧定界符SOH和EOT规定MAC帧的最大数据传送单元(MTU)，帧效验序列FCS采用循环冗余检验CRC-16=X16+X15+X2+1，保证站点通信的准确性。

图4 总线网MAC帧格式

新疆地区有着丰富的西北风力资源，使用独立运行的小型风能电力系统给郊区大棚提供成本经济的环保能源，系统由5 kW小型风电机、镇流器、电池组和逆变器等组成(图5)，风电机输出的交流电能，整流变换为直流后对蓄电池组充电，蓄电池组直接向主机提供直流电，通过逆变器将直流电转换为交流向执行机构供电。资料显示，克拉玛依市位于准噶尔盆地西部风区，主要为西北风源，风能蕴藏量大，年平均风速4～5 m/s，年风速利用时间4 500～5 500 h，可装机容量20 MkW。综合考虑各项参数后(表1)，选定5 kW小型风电机即可满足大多数大棚电力需求。根据现有的风车技术，大约3 m/s的风速(微风的程度)即可发电，还可通过扩容风电机组和电池组的方法提高装机容量[6]。

图5 小型风能电力系统[5]

表1 5 kW风电机性能参数参数数值参数数值额定转速∥r/min220风轮直径∥m6额定功率∥kW5额定风速∥m/s10输出电压∥V220最大功率∥kW6工作风速∥m/s3～25启动风速∥m/s3塔架高∥m9安全风速∥m/s40塔架类型159钢顶部质量∥kg250

2.3 从机部分从机以MSP430F1232为控制核心，与传感器芯片、485总线(SP3485E)组成从机节点。MSP430F1232是TI公司封装体积最小的微计算机，AM电流≤6 μA，响应时间6 μs，LPM电流≤1 μA，1个UART口连接总线网，设定P3.1、P3.2口连接传感器芯片的I2C双总线(SCL时钟线、SDA数据线)适用于低功耗的小型化传感器。每个大棚分别安装大气温湿度、光照度、CO2、土壤温度水分等4个从机节点，可测6项参数，传感器性能指标如表2所示。

表2 传感器的性能指标传感器生产厂商芯片型号测量量程测量精度空气温湿度SENSIRIONSHT11-40～123℃(0～100%)℃(±3%)光照度TAOSTSL～±35lxCO2浓度DYNA-MENTTDS00540～2000±30ppm土壤温度水分SENSIRIONSHT21-40～125℃(0～100%)℃(±3%)

3 软件程序设计

3.1 上位机远程监控系统根据上位机的远程监控需求，在VC6.0和SQL Server2008平台上共同构建农业大棚远程监控的控制程序和软件界面，上位机监控程序通过GPRS网络，采用P2P方式与主机通信，实现对农业大棚的实时数据存储、历史数据报表、限位值报警、环境参数调控等远程监控功能，上位机监控中心的软件界面如图6所示。

图6 监控中心界面

3.2 GPRS通信协议上位机和主机进行GPRS通信之前通过AT指令对SIM900A模块进行初始化，设定通信速率、IP地址、GPRS、INTERNET等连接参数，主要有以下几个设置：①AT+IPR =9 600，设置GPRS模块通信速率为9 600 bps；②AT+CGDCONT = 1，"IP"，"CMNET"，将GPRS接入网关设置为中国移动GSM网络；③AT+CGCLASS ="B"，将 GPRS 模块设置为单一GPRS业务运行模式；④AT+CGACT = 1，在SIM 卡开通GPRS业务的基础上激活GPRS功能，若返回SEND OK，则GPRS连接成功；⑤AT+CLPORT="TCP"，"2000"，设定本地侦听的TCP的PORT；⑥AT+CIPSTART="TCP"，""，"8086"，设置公网IP和PORT，建立TCP连接，模块返回OK，说明TCP连接成功。

3.3 软件流程图主机完成与上位机和从机的网络通讯、检测大棚的环境参数及控制环境调节系统，程序流程图如图7所示。

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