AVR現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：

我國是個(gè)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(dòng)生產(chǎn)率水平均較低，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，抗災(zāi)害能力差。我們設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)就是利用科學(xué)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(shè)施農(nóng)業(yè)是是綜合利用先進(jìn)的設(shè)施設(shè)備和先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，人為地創(chuàng)造動(dòng)植物生長發(fā)育所需要的最佳環(huán)境條件，并通過科學(xué)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(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品商品率，從而獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)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(duì)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)要求，設(shè)計(jì)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(xué)特性的關(guān)系，設(shè)計(jì)LED光譜可調(diào)的光源控制系統(tǒng)，用于作物環(huán)境的補(bǔ)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(dòng)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(jìn)行補(bǔ)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(shè)計(jì)適合于現(xiàn)代設(shè)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(jìn)行農(nóng)作物補(bǔ)光，可以根據(jù)特定植株的特點(diǎn)，選擇不同的控制LED光譜范圍，從而實(shí)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(duì)需要采集的四種參數(shù)及其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(hào)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(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件，通過將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來檢測待測量。

1.2控制器芯片

現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)要求同時(shí)測量大棚環(huán)境中多點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)，因此對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，MEGA128的數(shù)據(jù)吞吐量高達(dá)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(jià)比和高穩(wěn)定性的微控制器，最高工作頻率為16MHz。MEGA128通過擴(kuò)展一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)費(fèi)用降至最低。它具有SPI、JTAG和PWM定時(shí)器、片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器等，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的參數(shù)監(jiān)控要求，進(jìn)行以下幾個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。

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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)MEGA128單片機(jī)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(shí)序來完成對(duì)DS18B20芯片的訪問。并對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)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(shè)計(jì)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(hào)0-3V，濕度測量范圍10% - 95%RH。模擬電壓信號(hào)通過單片機(jī)MEGA128的PA0口進(jìn)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(dāng)其表面溫度足夠高時(shí)，MG811元件相當(dāng)于一個(gè)電池，其AB兩端會(huì)輸出電壓信號(hào)，根據(jù)該電壓信號(hào)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(duì)LED對(duì)作物的補(bǔ)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(yīng)用在不同類型的植物補(bǔ)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(shí)間，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的要求，設(shè)計(jì)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(duì)作物環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，節(jié)約人力資本的同時(shí)提高了工作效率，系統(tǒng)工作可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。