植物生长室的设计是根据植物生长所需的环境设计的，影响植物生长的环境因素有环境温度、空气湿度、土壤含水量、光照、二氧化碳浓度、风速等方面。在对植物生长环境的研究中，通常需要长时间的野外考察来记录数据。本文提出可以远程监测的智能人工气候室，能够实现远程、无人干预地检测这些环境因素并自动建立数据库，大大减少了人力物力，并且能做到在夜晚或恶劣天气条件下正常工作，数据采集的时间间隔可以调节，做到了许多人力难以完成的工作。

1、远程监控植物生长室的系统的基本构成
     通过各类传感器采集地面环境信息，并将其转换成相应的电信号，通过一定的数据采集方式转换为数字信号输入到单片机，单片机对该信号进行进一步处理，生成适合传输的信号，并通过信号传输通道传输，用户端通过对无线串口所传入的信号进行检测、筛选、分类、处理，最终在用户界面上显示并记录这些信息。室外采集与室内接受结构图如图1所示。

     传感器对地面环境要素的检测质量决定了系统观测指标的上限。因此传感器是本系统的基础，为了构筑性能优良的智能采集系统，必须首先对所需要的传感器进行介绍。系统主要采集了环境的温度、空气湿度、光照强度三个方面的数据，并对风速风向的采集作了简要介绍。

2.1、温湿度记录仪中的温、湿度传感器

     仪器采用了浙江托普仪器有限公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，发挥出强大的优势互补作用。为了将SHT10输出的数字量转换成实际物理量需进行相应的数据处理。SHT10的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，在对采集数据的多次拟合后得出公式(1)修正湿度值。

     RHlinear= c1+c2·SORH+c3·SORH(1)

式中：RHlinear为25℃时相对湿度的线性值;SORH为传感器输出的相对湿度的数值;c1，c2，c3为系数，如表1所列。

     上述湿度计算公式是按环境温度为25℃进行计算的，而实际的测量温度则在一定范围内变化，所以应考虑湿度传感器的温度系数，用公式(2)对环境温度进行补偿。

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

式中：RHture为温度不等于25℃时相对湿度的实际值，T为当前温度，t1，t2是系数，由实验求得。由设计决定的SHT10温度传感器的线性非常好，可用式(3)将温度数字输出转换成实际温度值。其中，T为实际温度;SOT为传感器输出的温度数值;θ1，θ2为系数。

T =θ1+θ2·SOT(3)

2.2、光照室中光照强度传感器

     光照传感器一般为非线性，前级进行放大后需要进行校正，实际中由于A/D转换需要信号源的输出电阻小于1 kΩ，所以选用光敏电阻作为采集元件。由于光敏电阻的亮电阻和暗电阻分别为2 kΩ和200Ω，要求式(4)最大，所以对其求导，得出R1=20 kΩ。由图2电路可以对实际的照度传感器修正。

     电源设计时需要考虑系统中所需的电压类型及各电压下对应的功耗，从而进行合理的电源分配及稳压芯片选型，选择时需要考虑输入电压范围、输出电压范围、输出电流驱动能力、动态特性、带负载能力、转换效率等参数。为了提高能源利用率，增强采集装置的可移动性，采用太阳能电池与后备电池组合方式进行供电。当太阳能电池充足时，由太阳能电池供电，同时对后备电池进行充电;当太阳能电池电力不足时，转由后备电池供电。自动切换电路的工作原理简单，只需通过两个低导通压降二极管(一般为肖特基)实现。而智能充电电路相对复杂一些，这主要和充电电池的特性有关。在充电过程中，电池内部温度、压力随电压的增加而增加，特别是在接近充满时，其增加速度更快，所以为了安全可靠的充电，合理地检测充电状态，分配充电电流是必要的。同时注意对系统供电方式进行监控，若系统转为电池供电，此时由单片机控制充电电路处于关闭状态，当检测到系统转为太阳能供电时，再开启充电电路。

3.1、锂电池的充电控制与保护电路设计

     在充电电路设计中可以自行设计相应模块进行参数检测，但是为了提高系统的集成度和可靠性，一般考虑采用集成电路的形式，这里采用了CN3083芯片进行充电控制与保护。CN3083是专门为利用太阳能板等输出电流能力有限的输入电压源对单节锂电池进行充电管理的芯片，芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可以用外部电阻编程设定，最大持续充电电流可达600 mA，不需要另加续流二极管和电流检测电阻。CN3083包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端CH和充电结束指示输出端OK。芯片内部的高精度的电压基准源，误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的误差在±1%以内，满足了电池的要求。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电流小于3μA，从而增加了待机时间。CN3083芯片的外部连线设计如图3所示。

3.2、SP9261C升压电路的设计

     系统中各部分所需的电压不同，因此需要将锂电池的电压变换为适合放大器等元器件工作的电压。SP9261C是一款低功耗，0.8 V启动的PFM升压控制器。其本身独有的600 kHz高频振荡频率特别适合低输入电压，芯片的升压比高，且大输出电流应用环境下只需配置数值较小的电感，具有更小的启动电压，或同样低电压情况下产生更大的输出电流。其整个应用电路如图4所示。

      为了实现数据的远程传输，有必要采用一种无线传输设备进行数据传输。常用的无线通信方式有RF，红外，Wii2Fi， GPRS，GSM等。结合了距离与价格两方面的因素，仪器无线模块采用了RF无线传输与GPRS相结合的方式组成传感器网络。

      其中RF的特点是简单易行，成本低，传输距离小于3km，最终采用了SWRF2105 (FHL20611)433 MHz的无线模块实现数据的无线传输，这一模块采用了晶体稳频，内置数字锁相环，可根据用户需要灵活设置频点;提供TTL电平和模拟RS 485/RS 232规格信号的UART接口;数据传输方式为UART方式。

     GPRS的无线数据传输的特点是成本较高、协议复杂，依托通信网络，传输距离不受限制，后期使用成本较高。因此，在超远距离传输方面，采用了GSM网络，使用西门子公司的MC55 GRPS模块，可以将一个传感器网络内的数据通过短信或其他方式传送至任意一部在网通信设备。该方案使得数据的传输几乎不受距离限制。在室内计算机与单片机之间无线传输数据需要制定传输协议，单片机与电脑串口收发程序流程图如图5所示。

     室外仪器的主控部分采用了Atmel公司的ATmega16单片机。该单片机在资源与运算速度满足要求的前提下，功耗最低，适合对功耗要求较严格的场所使用，可以在无人干预下长期稳定运行。在室外的监测仪器除了可以采集发送数据外，还通过单片机进行了LCD的显示。

     在用户端用VB开发了数据采集系统的界面，使用VB结合Access数据库进行上位机软件编程，软件主要实现了以下功能：通过MSComm控件进行无线通信数据的串口接收;实现了VB与Access数据库的连接，可以通过VB界面查看、查询、删除历史数据;可以实时地接收户外仪器发送的数据并显示在界面上，同时自动更新Access数据库。

     远程监测植物生长室最终做到了采集环境中的温度、湿度、光照强度等与植物生长环境密切相关的因素，这些数值在单片机液晶屏显示的同时可以远距离传输到用户端，RF与GPRS相结合的方式可以做到在尽可能节约成本的情况下远距离传输数据，智能人工气候箱采用的太阳能电池板与锂电池相结合的供电方式使得仪器可以长时间自动工作，完成了VB与Access数据库的结合，在实时显示数据的同时动态建立数据库。