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     植物生長室的設(shè)計是根據(jù)植物生長所需的環(huán)境設(shè)計的，影響植物生長的環(huán)境因素有環(huán)境溫度、空氣濕度、土壤含水量、光照、二氧化碳濃度、風(fēng)速等方面。在對植物生長環(huán)境的研究中，通常需要長時間的野外考察來記錄數(shù)據(jù)。本文提出可以遠(yuǎn)程監(jiān)測的智能人工氣候室，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、無人干預(yù)地檢測這些環(huán)境因素并自動建立數(shù)據(jù)庫，大大減少了人力物力，并且能做到在夜晚或惡劣天氣條件下正常工作，數(shù)據(jù)采集的時間間隔可以調(diào)節(jié)，做到了許多人力難以完成的工作。

1、遠(yuǎn)程監(jiān)控植物生長室的系統(tǒng)的基本構(gòu)成
     通過各類傳感器采集地面環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，通過一定的數(shù)據(jù)采集方式轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到單片機，單片機對該信號進行進一步處理，生成適合傳輸?shù)男盘�，并通過信號傳輸通道傳輸，用戶端通過對無線串口所傳入的信號進行檢測、篩選、分類、處理，最終在用戶界面上顯示并記錄這些信息。室外采集與室內(nèi)接受結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

     傳感器對地面環(huán)境要素的檢測質(zhì)量決定了系統(tǒng)觀測指標(biāo)的上限。因此傳感器是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為了構(gòu)筑性能優(yōu)良的智能采集系統(tǒng)，必須首先對所需要的傳感器進行介紹。系統(tǒng)主要采集了環(huán)境的溫度、空氣濕度、光照強度三個方面的數(shù)據(jù)，并對風(fēng)速風(fēng)向的采集作了簡要介紹。

2.1、溫濕度記錄儀中的溫、濕度傳感器

     儀器采用了浙江托普儀器有限公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)揮出強大的優(yōu)勢互補作用。為了將SHT10輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實際物理量需進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。SHT10的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，在對采集數(shù)據(jù)的多次擬合后得出公式(1)修正濕度值。

     RHlinear= c1+c2·SORH+c3·SORH(1)

式中：RHlinear為25℃時相對濕度的線性值;SORH為傳感器輸出的相對濕度的數(shù)值;c1，c2，c3為系數(shù)，如表1所列。

     上述濕度計算公式是按環(huán)境溫度為25℃進行計算的，而實際的測量溫度則在一定范圍內(nèi)變化，所以應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度系數(shù)，用公式(2)對環(huán)境溫度進行補償。

     RHtrue= (T-25)(t1+t2·SORH)+RHlinear(2)

式中：RHture為溫度不等于25℃時相對濕度的實際值，T為當(dāng)前溫度，t1，t2是系數(shù)，由實驗求得。由設(shè)計決定的SHT10溫度傳感器的線性非常好，可用式(3)將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實際溫度值。其中，T為實際溫度;SOT為傳感器輸出的溫度數(shù)值;θ1，θ2為系數(shù)。

T =θ1+θ2·SOT(3)

2.2、光照室中光照強度傳感器

     光照傳感器一般為非線性，前級進行放大后需要進行校正，實際中由于A/D轉(zhuǎn)換需要信號源的輸出電阻小于1 kΩ，所以選用光敏電阻作為采集元件。由于光敏電阻的亮電阻和暗電阻分別為2 kΩ和200Ω，要求式(4)最大，所以對其求導(dǎo)，得出R1=20 kΩ。由圖2電路可以對實際的照度傳感器修正。

     電源設(shè)計時需要考慮系統(tǒng)中所需的電壓類型及各電壓下對應(yīng)的功耗，從而進行合理的電源分配及穩(wěn)壓芯片選型，選擇時需要考慮輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、輸出電流驅(qū)動能力、動態(tài)特性、帶負(fù)載能力、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。為了提高能源利用率，增強采集裝置的可移動性，采用太陽能電池與后備電池組合方式進行供電。當(dāng)太陽能電池充足時，由太陽能電池供電，同時對后備電池進行充電;當(dāng)太陽能電池電力不足時，轉(zhuǎn)由后備電池供電。自動切換電路的工作原理簡單，只需通過兩個低導(dǎo)通壓降二極管(一般為肖特基)實現(xiàn)。而智能充電電路相對復(fù)雜一些，這主要和充電電池的特性有關(guān)。在充電過程中，電池內(nèi)部溫度、壓力隨電壓的增加而增加，特別是在接近充滿時，其增加速度更快，所以為了安全可靠的充電，合理地檢測充電狀態(tài)，分配充電電流是必要的。同時注意對系統(tǒng)供電方式進行監(jiān)控，若系統(tǒng)轉(zhuǎn)為電池供電，此時由單片機控制充電電路處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)檢測到系統(tǒng)轉(zhuǎn)為太陽能供電時，再開啟充電電路。

3.1、鋰電池的充電控制與保護電路設(shè)計

     在充電電路設(shè)計中可以自行設(shè)計相應(yīng)模塊進行參數(shù)檢測，但是為了提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，一般考慮采用集成電路的形式，這里采用了CN3083芯片進行充電控制與保護。CN3083是專門為利用太陽能板等輸出電流能力有限的輸入電壓源對單節(jié)鋰電池進行充電管理的芯片，芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定，最大持續(xù)充電電流可達(dá)600 mA，不需要另加續(xù)流二極管和電流檢測電阻。CN3083包含兩個漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出端，充電狀態(tài)指示端CH和充電結(jié)束指示輸出端OK。芯片內(nèi)部的高精度的電壓基準(zhǔn)源，誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓的誤差在±1%以內(nèi)，滿足了電池的要求。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3μA，從而增加了待機時間。CN3083芯片的外部連線設(shè)計如圖3所示。

3.2、SP9261C升壓電路的設(shè)計

     系統(tǒng)中各部分所需的電壓不同，因此需要將鋰電池的電壓變換為適合放大器等元器件工作的電壓。SP9261C是一款低功耗，0.8 V啟動的PFM升壓控制器。其本身獨有的600 kHz高頻振蕩頻率特別適合低輸入電壓，芯片的升壓比高，且大輸出電流應(yīng)用環(huán)境下只需配置數(shù)值較小的電感，具有更小的啟動電壓，或同樣低電壓情況下產(chǎn)生更大的輸出電流。其整個應(yīng)用電路如圖4所示。

      為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，有必要采用一種無線傳輸設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸。常用的無線通信方式有RF，紅外，Wii2Fi， GPRS，GSM等。結(jié)合了距離與價格兩方面的因素，儀器無線模塊采用了RF無線傳輸與GPRS相結(jié)合的方式組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。

      其中RF的特點是簡單易行，成本低，傳輸距離小于3km，最終采用了SWRF2105 (FHL20611)433 MHz的無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，這一模塊采用了晶體穩(wěn)頻，內(nèi)置數(shù)字鎖相環(huán)，可根據(jù)用戶需要靈活設(shè)置頻點;提供TTL電平和模擬RS 485/RS 232規(guī)格信號的UART接口;數(shù)據(jù)傳輸方式為UART方式。

     GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c是成本較高、協(xié)議復(fù)雜，依托通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離不受限制，后期使用成本較高。因此，在超遠(yuǎn)距離傳輸方面，采用了GSM網(wǎng)絡(luò)，使用西門子公司的MC55 GRPS模塊，可以將一個傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過短信或其他方式傳送至任意一部在網(wǎng)通信設(shè)備。該方案使得數(shù)據(jù)的傳輸幾乎不受距離限制。在室內(nèi)計算機與單片機之間無線傳輸數(shù)據(jù)需要制定傳輸協(xié)議，單片機與電腦串口收發(fā)程序流程圖如圖5所示。

     室外儀器的主控部分采用了Atmel公司的ATmega16單片機。該單片機在資源與運算速度滿足要求的前提下，功耗最低，適合對功耗要求較嚴(yán)格的場所使用，可以在無人干預(yù)下長期穩(wěn)定運行。在室外的監(jiān)測儀器除了可以采集發(fā)送數(shù)據(jù)外，還通過單片機進行了LCD的顯示。

     在用戶端用VB開發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的界面，使用VB結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫進行上位機軟件編程，軟件主要實現(xiàn)了以下功能：通過MSComm控件進行無線通信數(shù)據(jù)的串口接收;實現(xiàn)了VB與Access數(shù)據(jù)庫的連接，可以通過VB界面查看、查詢、刪除歷史數(shù)據(jù);可以實時地接收戶外儀器發(fā)送的數(shù)據(jù)并顯示在界面上，同時自動更新Access數(shù)據(jù)庫。

     遠(yuǎn)程監(jiān)測植物生長室最終做到了采集環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度等與植物生長環(huán)境密切相關(guān)的因素，這些數(shù)值在單片機液晶屏顯示的同時可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)接脩舳�，RF與GPRS相結(jié)合的方式可以做到在盡可能節(jié)約成本的情況下遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，智能人工氣候箱采用的太陽能電池板與鋰電池相結(jié)合的供電方式使得儀器可以長時間自動工作，完成了VB與Access數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，在實時顯示數(shù)據(jù)的同時動態(tài)建立數(shù)據(jù)庫。