基于ARM与无线通信的植物工厂监控系统的制作方法

本实用新型涉及一种监控系统，特别是一种基于ARM与无线通信的植物工厂监控系统。

背景技术：

随着物联网技术的发展，集成化和智能化设备越来越多地应用于植物工厂的环境监测，选择一种可靠的监控方案主要考虑其成本和能耗。传统的植物生长监测系统使用标准CAN 总线或者RS485总线构成分布式监测网络，需要大量的连接电缆，构建成本较高而且系统的维护和管理不易。相比较而言，无线连接方式主要是近距离无线通信技术构建无线传感器网络，使用标准的无线通信协议，避免了布线的麻烦，可以更灵活地实现监测点的管理，还可以利用蜂窝网接入技术，以短消息的方式实现任何时间任何地点的无线通信，在远程无线监测中具有较好优势。ZigBee无线通信目前可以采用CC2530 ZigBee无线射频芯片，用于构建低成本、短时延、低功耗、可靠的无线通信系统。但由于其涉及的通信协议复杂，较nRF24L01芯片来说，价格没有优势。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于ARM与无线通信的植物工厂监控系统。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于ARM与无线通信的植物工厂监控系统，其特征在于：包含一个集中控制机、若干数据采集终端和服务终端，若干数据采集终端通过nRF24L01模块与集中控制机连接，集中控制机通过GSM网络与服务终端连接，数据采集终端主要完成对植物生成环境参数的采集，并将采集到的数据通过nRF24L01模块发送到集中控制机，集中控制机将数据处理后显示并发送至手机终端或者带有GSM 接收的服务器，实现远程在线预警和现场监测数据存储分析。

进一步地，所述集中控制机包含STM32-M4板，无线传输电路、显示模块、存储器、按键电路、GSM 模块和语音报警模块，无线传输电路、液晶显示电路、存储器、按键电路、GSM模块和语音报警模块分别与STM32-M4板连接，无线传输电路用于完成与6个数据采集终端的无线监控链路通信；数据存储器用于实现采集终端数据的越限记录存储，并可通过按键查询历史数据；显示模块用于显示实时环境数据；GSM 模块用于通过手机短信方式实现远程监测或报警。

进一步地，所述无线传输电路采用nRF24L01模块。

进一步地，所述数据存储器采用24C02芯片。

进一步地，所述显示模块采用7' TFTLCD模块。

进一步地，所述GSM 模块采用SIM900A模块。

进一步地，所述数据采集终端包含STM32核心板，温度采集模块、土壤湿度检测传感器、光照传感器、CO2采集电路、无线传输电路、液晶显示电路、按键电路和电源稳压电路，温度采集电路、土壤湿度检测传感器、光照传感器、CO2采集电路、无线传输电路、液晶显示电路、按键电路和电源稳压电路分别与STM32核心板连接。

进一步地，所述温度采集模块采用DS18B20。

进一步地，所述光照传感器采用BH1750FVI芯片。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：近距离无线通信技术构建无线传感器网络，使用标准的无线通信协议，避免了布线的麻烦，可以更灵活地实现监测点的管理，还可以利用蜂窝网接入技术，以短消息的方式实现任何时间任何地点的无线通信，在远程无线监测中具有较好优势；克服了无线局域网、蓝牙、红外线数据通信的通信协议和特定硬件结构的缺点，在短距离无线监测中具有良好的优势；具有设计简单、稳定性好、可扩展性强等优点，可应用到各类无线传输的工程领域中，为其它环境监测系统提供参考。

附图说明

图1是本实用新型的基于ARM与无线通信的植物工厂监控系统示意图。

图2是本实用新型的集中控制机的电路图。

图3是本实用新型的数据采集终端的电路图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

如图所示，本实用新型的一种基于ARM与无线通信的植物工厂监控系统，包含一个集中控制机、若干数据采集终端和服务终端，若干数据采集终端通过nRF24L01模块与集中控制机连接，集中控制机通过GSM网络与服务终端连接，数据采集终端主要完成对植物生成环境参数的采集，并将采集到的数据通过nRF24L01模块发送到集中控制机，集中控制机将数据处理后显示并发送至手机终端或者带有GSM 接收的服务器，实现远程在线预警和现场监测数据存储分析。子网系统由6个数据采集终端和一个集中控制机构成，在集中控制机部分，搭建GSM 网络，实现实时的接收6个数据终端的数据，按照nRF24L01中文说明书的阐述，nRF24L01一次只能接收同一频率下6个不同的数据，因此集中控制机上搭载拨码开关，用于分时接收不同频率下的6组数据，就可以构建一个稍具规模的无线通信网络。

集中控制机负责与监测终端之间的点对多点无线通信和子网无线接入GSM的网络通信。集中控制机包含STM32-M4板，无线传输电路、显示模块、存储器、按键电路、GSM 模块和语音报警模块，无线传输电路、液晶显示电路、存储器、按键电路、GSM模块和语音报警模块分别与STM32-M4板连接，无线传输电路用于完成与6个数据采集终端的无线监控链路通信；数据存储器用于实现采集终端数据的越限记录存储，并可通过按键查询历史数据；显示模块用于显示实时环境数据；GSM 模块用于通过手机短信方式实现远程监测或报警。无线传输电路采用nRF24L01模块，采用半双工通信方式完成与6个监测终端的无线监控链路通信。数据存储器采用24C02芯片，实现采集终端数据的越限记录存储，并可通过按键查询历史数据，利用STM32的RTL定时器实现实时显示时间，并将越限的时间也一同存储在24C02芯片中。显示模块采用7' TFTLCD模块，一行可以显示多个字符，满足实时环境数据显示的需要。GSM 模块采用SIM900A模块，借助GSM 移动网络，通过手机短信方式实现远程监测或报警。如图2所示，M4芯片使用了STM32F407，硬件资源比较丰富，24C02采用了I2C通信接口，使用M4芯片的I2C接口IIC1_SCL、IIC1_SDA就能实现通信；nRF24L01采用了SPI接口通信方式，主要引脚有CE、SCK、MISO、MOSI、CSN等信号，利用M4的SPI1接口就能实现；SIM900A采用了串口1，M4的U1_TX连接了SIM900A的RXD_I，U1_RX连接了SIM900A的TXD_O；液晶显示接口占据34位管脚，采用了16bit数据通信方式，有利于提高显示速度；其他外围电路可以查看芯片应用手册。

其中，无线传输电路采用Risym 工业级nRF24L01+PA+LNA 数传无线模块[5]。最大功率为100mW，通信距离1100米。空中速率250K、1M、2M 可调，单个数据包1～32字节，3级FIFO缓冲。该模块由挪威(Nordic)公司生产的nRF24L01+及其外围电路组成的，其工作于 2.4～2.5GHz 世界通用 ISM 频段，工作电压为1.9～3.6V。可通过 SPI写入数据，最高可达10Mbit/s，数据传输速率最快可达2Mbit/s，并且具有自动应答和自动再发射功能。芯片融进了增强式 ShockBurst TM 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。该芯片功耗低，-6dBm 功率发射时，工作电流9mA，接收时工作电流只有12.3mA，可选择的掉电模式和空闲模式使其应用设计更加低功耗。

数据采集终端包含STM32核心板，温度采集模块、土壤湿度检测传感器、光照传感器、CO2采集电路、无线传输电路、液晶显示电路、按键电路和电源稳压电路，温度采集电路、土壤湿度检测传感器、光照传感器、CO2采集电路、无线传输电路、液晶显示电路、按键电路和电源稳压电路分别与STM32核心板连接。温度采集模块采用DS18B20，集成度和精度满足系统设计要求。光照传感器采用BH1750FVI芯片，该芯片采用I2C总线接口，内含数字转换器，检测范围宽和分辨率高。土壤湿度检测电路利用模拟电路搭建而成，通过电位器调节相应阈值，可以以数字量直接输出或通过AD转换得到土壤湿度更精确的数值。

如图3所示，数据采集终端采用Cortex-M3 STM32F103ZET6作为主控MCU，由于与M4的资源相似，在此主要介绍集中控制机的主控MCU-STM32F407ZGT6[4]，它拥有的硬件资源包括：集成FPU和DSP指令，并具有192KB SRAM、1024KB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个全双工I2S、3个IIC、6个串口、2个USB（支持HOST /SLAVE）、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个10/100M以太网MAC控制器、1个摄像头接口、1个硬件随机数生成器、以及112个通用IO口等，这些硬件资源便于系统的日后升级。

本实用新型的监测系统，使用ARM M3-CPU和nRF24L01等模块构建数据的采集节点，ARM M4-CPU、 nRF24L01模块、 GPRS模块等构成集中控制器，利用ARM CPU强大的数据处理功能和nRF24L01模块组网灵活的特点，实现了1收6发的分布式植物工厂监控系统。无线通信测试结果表明，由于采用了双天线的nRF24L01模块，因此在900米范围内无线传输基本稳定，随着距离的增加，数据丢包率开始增加。系统通过扩展，相邻子网之间采用不同频率方式工作而且频率间隔较大，可以实现更大范围的分布式监控系统。由于利用了TFT显示屏，可以随时查看采集的数据信息，该信息通过GPRS模块发送到用户的智能终端上，具备实时性。该系统具有设计简单、稳定性好、可扩展性强等优点，可应用到各类无线传输的工程领域中，为其它环境监测系统提供参考。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。