AVR現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：

我國是個農(nóng)業(yè)大國，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)裝備水平與勞動生產(chǎn)率水平均較低，農(nóng)業(yè)基礎設施薄弱，抗災害能力差。我們設計的這套系統(tǒng)就是利用科學技術(shù)來管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

設施農(nóng)業(yè)是是綜合利用先進的設施設備和先進的生產(chǎn)技術(shù)，人為地創(chuàng)造動植物生長發(fā)育所需要的最佳環(huán)境條件，并通過科學的技術(shù)管理，最大限度地提高土地產(chǎn)出率、資源利用率、勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品商品率，從而獲得最佳經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的一種生產(chǎn)方式。相比于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，具有空間利用率高、生產(chǎn)周期短等突出優(yōu)勢，成為國內(nèi)外廣泛采用的一種農(nóng)作物生產(chǎn)方式。針對現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)要求，設計集溫度、濕度、CO2濃度和光照度于一體的參數(shù)采集系統(tǒng)，并結(jié)合作物與LED光學特性的關(guān)系，設計LED光譜可調(diào)的光源控制系統(tǒng)，用于作物環(huán)境的補光照射。監(jiān)控系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式，自動化程度大大提高。系統(tǒng)根據(jù)不同作物的要求，采用不同光譜進行補光照射，更有利于作物的生長。

監(jiān)控系統(tǒng)組成 根據(jù)農(nóng)作物種植的需求，設計適合于現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)用的多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括光照、溫度和濕度等參數(shù)的監(jiān)控和LED光源的光譜調(diào)節(jié)功能，采用本系統(tǒng)進行農(nóng)作物補光，可以根據(jù)特定植株的特點，選擇不同的控制LED光譜范圍，從而實現(xiàn)光源的柔性控制。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1.1 參數(shù)測量端

針對需要采集的四種參數(shù)及其特點，設計參數(shù)采集模塊。溫度測量采用DS18B20型溫度傳感器，該傳感器采用單總線接口，測量溫度的范圍在-10度到+85度之間，測量的溫度精度約為±0.5度，能夠滿足作物環(huán)境的溫度精度要求。濕度參數(shù)測量采用CHTM-02NA型傳感器，輸出模擬電壓信號0-3V，濕度測量范圍10% - 95%RH。CO2濃度測量采用MG811型傳感器，測量范圍350—10000ppm，輸出模擬電壓30-50mV。光照度測量采用光電池。光電池是一種利用光生伏特效應制成的光電轉(zhuǎn)換器件，通過將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹頇z測待測量。

1.2控制器芯片

現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)要求同時測量大棚環(huán)境中多點的各個參數(shù)，因此對數(shù)據(jù)的實時性和處理速度要求較高，因此微處理器采用MEGA128，MEGA128是ATMEL公司研制的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，MEGA128的數(shù)據(jù)吞吐量高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾，具有較高的性價比和高穩(wěn)定性的微控制器，最高工作頻率為16MHz。MEGA128通過擴展一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)費用降至最低。它具有SPI、JTAG和PWM定時器、片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器等，可以滿足本設計的要求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

針對不同的參數(shù)監(jiān)控要求，進行以下幾個功能模塊的設計。

2.1 參數(shù)采集模塊

DS18B20采用的是1-Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對MEGA128單片機來說，硬件上不支持單總線協(xié)議，因此，必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。并對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 采用DS18B20設計的溫度參數(shù)采集模塊如圖2所示。

圖2 溫度采集模塊                    圖3 濕度采集模塊

濕度采集模塊采用了CHTM-02NA型濕度傳感器，輸出模擬電壓信號0-3V，濕度測量范圍10% - 95%RH。模擬電壓信號通過單片機MEGA128的PA0口進行A/D轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

CO2濃度采集模塊見圖4，外部+6VDC電壓給H-H端加熱元件加熱，當其表面溫度足夠高時，MG811元件相當于一個電池，其AB兩端會輸出電壓信號，根據(jù)該電壓信號的大小可測量CO2濃度。

圖4 CO2濃度采集模塊                               圖5 照度采集模塊

針對LED對作物的補光照射的優(yōu)勢，開發(fā)光照采集系統(tǒng)和光譜范圍可調(diào)的光照控制系統(tǒng)，可以方便地應用在不同類型的植物補光場合。照度采集模塊見圖5。

3 結(jié)論

系統(tǒng)監(jiān)控的目的是要為作物的生長創(chuàng)造適宜的光、溫、濕、氣等優(yōu)化的環(huán)境條件，調(diào)節(jié)作物生長過程和成熟上市時間，以獲得更好的經(jīng)濟效益。本文對現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)的要求，設計集多參數(shù)采集與光照度和波長可調(diào)的監(jiān)控系統(tǒng)，方便對作物環(huán)境的遠程監(jiān)測和控制，節(jié)約人力資本的同時提高了工作效率，系統(tǒng)工作可靠，滿足設計要求。