基于ARM的農(nóng)業(yè)大棚管理系統(tǒng)

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2017.09.030

引 言

根據(jù)我國的國情，農(nóng)業(yè)較工業(yè)而言占據(jù)較大比重。但我國農(nóng)業(yè)工業(yè)化水平較低，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚較多。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚存在以下弊端：

(1) 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚基本都采用人工管理，管理程序多且復(fù)雜，同時(shí)人工管理投入大，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，易造成大棚溫度過高、過低、過潮、過干等；

(2) 由人工管理的農(nóng)業(yè)大棚無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚的狀態(tài)，

(3) 傳統(tǒng)大棚燃料消耗較大，導(dǎo)致成本較高，降低了收益。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)效率低、成本高、產(chǎn)量低等特點(diǎn)已無法滿足工業(yè)信息化時(shí)代的要求。隨著我國人口逐漸增多，人民生活條件也逐漸改善，傳統(tǒng)大棚已不能滿足現(xiàn)代人的需求，開發(fā)智能管理大棚勢(shì)在必行！

1 系統(tǒng)方案介紹

系統(tǒng)基于LPC4357，使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度和光照值，通過 ZigBee 將數(shù)據(jù)傳送給主控， 并將最終數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee 無線傳輸模塊、主控模塊和自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的溫濕度和光照信息通過ZigBee 協(xié)議棧傳送給與LPC4357 連接的ZigBee 節(jié)點(diǎn)；ZigBee 節(jié)點(diǎn)再通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至LPC4357 主控模塊 ；如果某一大棚的參數(shù)超過設(shè)定值，液晶屏?xí)霈F(xiàn)紅色告警，如果溫度過高則開啟風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降溫，若土壤濕度過低，則啟動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置進(jìn)行灌溉。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊介紹

LPC4357 擁有 Cortex-M4 處理器與 32 位的 ARM，最 高運(yùn)行頻率為 168 MHz，內(nèi)部集成 1 MB 閃存，192+4 KB 的 SRAM，可外擴(kuò) Micro SD 卡存儲(chǔ)，6 路串口，工作溫度范圍 為 0 ℃ ~ 40 ℃，工作電壓為 5 V。

PF9 控制風(fēng)扇繼電器，驅(qū)動(dòng)降溫控制；由 PF10 控制土 壤灌溉繼電器，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置。

2.2 ZigBee 無線通訊模塊介紹

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、 低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于短距離、低功耗且傳 輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及典型的有周 期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸。

ZigBee 無線傳輸模塊以 CC2530 芯片為核心進(jìn)行相互間 的通訊。本設(shè)計(jì)有 5 個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)，其中 1 個(gè)為接收，其余 4 個(gè)為發(fā)送。4 個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送大棚溫度、濕度、光照和 土壤濕度值。

2.3 各傳感器介紹

本設(shè)計(jì)用到的傳感器包括溫度傳感器 DS18B20、濕度傳 感器 DHT11、光敏電阻以及土壤濕度傳感器。這些傳感器負(fù) 責(zé)采集信息，并將采集到的信息分別通過 4 個(gè) ZigBee 發(fā)送模塊發(fā)送給接收模塊。

2.4 串口電路

發(fā)送端通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線協(xié)議棧中，通過無線發(fā)送給接收端，接收端接收到信息后通過串口發(fā)送給 LPC4357 主控制板，主控制板接收、處理串口信息進(jìn)行界面顯示，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，LPC4357 通過一個(gè)IO 口發(fā)送控制信號(hào)，以此來驅(qū)動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置或降溫裝置。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件環(huán)境介紹

本設(shè)計(jì)運(yùn)用Keil 公司研發(fā)的RealView MDK 軟件，該編程軟件被全球超過十萬嵌入式工程師或?qū)W者使用，是ARM 公司最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。它集成了業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，融合了中國多數(shù)軟件工程師所需要的特點(diǎn)和功能。μVision4 集成開發(fā)環(huán)境支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex-M3 內(nèi)核處理器，自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，具有強(qiáng)大的性能分析功能。

3.2 子節(jié)點(diǎn) ZigBee采集傳感器

ZigBee 接收流程如圖 2 所示。先檢測(cè)傳感器是否存在或完好，若存在或完好，讀取傳感器信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)寫入無線協(xié)議中并發(fā)送。

3.3 ZigBee 接收流程

ZigBee 接收流程如圖 3 所示。接收端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行 數(shù)據(jù)幀頭匹配，完成之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，從而控制自動(dòng)調(diào) 節(jié)模塊。

4 系統(tǒng)測(cè)試

與一般溫室大棚相似，應(yīng)設(shè)定參數(shù)滿足其光照、滴灌、 大棚內(nèi)二氧化碳濃度、濕潤度以及土壤酸堿度等。測(cè)試周期 控制為一周，采樣時(shí)間間隔設(shè)定為1小時(shí)，本系統(tǒng)采用模擬測(cè)試， 搭建按比例縮小的農(nóng)作物溫室大棚，對(duì)環(huán)境參數(shù)采集 24 組數(shù) 據(jù)，對(duì)溫度、濕度、光照、土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通過自動(dòng)灌溉裝置與降溫裝置將數(shù)據(jù)控制在設(shè)定范圍。 一周監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖 4 所示，光照平均值如圖 5 所示。

5 結(jié) 語

對(duì)一周的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè) 大棚監(jiān)測(cè)及控制，解決了農(nóng)業(yè)大棚看護(hù)不科學(xué)、不及時(shí)，從而 造成農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降，甚至無法收獲農(nóng)作物的問題。