基于XMEGA的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)的方案

1.引言

溫室又稱暖房，在環(huán)境參數(shù)恒定的溫室里培養(yǎng)植物，能為植物提供更合適的生長環(huán)境。

溫室包括栽種槽、供水系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)等。要實(shí)現(xiàn)溫濕度等理化指標(biāo)的調(diào)控，必須先獲得當(dāng)前環(huán)境的各項(xiàng)理化指標(biāo)參數(shù)。因此，可在溫室中的各個(gè)分布點(diǎn)放置環(huán)境的各項(xiàng)理化指標(biāo)參數(shù)的采樣模塊，根據(jù)當(dāng)前各項(xiàng)理化指標(biāo)參數(shù)及預(yù)先設(shè)定的各項(xiàng)理化指標(biāo)的閾值，利用繼電器控制外部設(shè)備的開關(guān)，則可使溫室維持恒定的土壤溫濕度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等理化指標(biāo)。

2.ATxmega128A1介紹

ATxmega128A1是ATMEL公司推出的強(qiáng)化性能的8位AVR微處理器。其具有128KB閃存，工作電壓為1.6~3.6V,是目前唯一使用1.6V電壓工作的閃存微處理器，功耗超低且具有豐富的片上資源：4路模擬比較器、4通道DMA控制器、8通道事件系統(tǒng)、4個(gè)SPI接口、4個(gè)I2C口、8個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2個(gè)16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)2路12位D/A轉(zhuǎn)換器、1個(gè)AES加密引擎、1個(gè)RTC,以上資源均不用CPU資源，可最大限度提高系統(tǒng)性能且降低功耗，最高可達(dá)32MI/s的處理性能。由于其豐富的片上資源，使得外圍電路得到極大的簡化，同時(shí)又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及可靠性。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境檢測儀，要求可以對溫室內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、空氣二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度進(jìn)行采樣，并用液晶屏顯示各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

各個(gè)傳感器模塊把被測的非電量轉(zhuǎn)換為可測量的電壓值或數(shù)據(jù)，ATxmega128A1微控制器根據(jù)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與其通信，獲取各個(gè)傳感器檢測到的環(huán)境參數(shù)，并將環(huán)境參數(shù)傳輸至儲(chǔ)存器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終獲得當(dāng)前溫室環(huán)境的各項(xiàng)理化指標(biāo)參數(shù)。

溫室環(huán)境檢測儀采用了低功耗的的微控制器ATxmega128A1、傳感器模塊以及低功耗的器件，因此該溫室環(huán)境檢測儀具有功耗低的特點(diǎn)。另外，傳感器模塊的線性度、靈敏度、遲滯性、重復(fù)性、漂移等靜態(tài)特性良好，能夠滿各種溫室場合。溫濕度傳感器具有瞬時(shí)響應(yīng)快的特性，使溫室環(huán)境檢測儀在溫室環(huán)境參數(shù)失調(diào)時(shí)能及時(shí)檢測出溫室環(huán)境參數(shù)的變化并輸送給控制電路進(jìn)行調(diào)整，從而使溫室環(huán)境穩(wěn)定，維持農(nóng)作物生長所需的最適宜的環(huán)境參數(shù)。

4.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由ATxmega128A1最小系統(tǒng)、土壤溫濕度傳感器模塊電路、空氣溫濕度傳感器模塊電路、空氣二氧化碳濃度傳感器模塊電路、光照強(qiáng)度傳感器模塊電路、按鍵顯示模塊電路、報(bào)警模塊電路和系統(tǒng)電源模塊電路組成。

4.1 土壤溫濕度傳感器模塊

采用SLHT5土壤溫濕度采樣模塊來測量土壤的溫度及相對濕度，其硬件接口電路如圖2(a)所示。該傳感器模塊把傳感元件與信號(hào)處理電路集成起來，輸出全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)能隙材料制成的測溫元件，并在模塊內(nèi)集成有14位A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)和極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 空氣溫濕度傳感器模塊

采用SHT75空氣溫濕度采樣模塊來測量空氣的溫度及相對濕度，其硬件接口電路如圖2(b)所示。模塊內(nèi)部含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。其中包含有一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件，并與一個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一模塊上實(shí)現(xiàn)無縫連接。其結(jié)構(gòu)大致與土壤溫濕度傳感器模塊電路相同，但兩種模塊應(yīng)用場合不同。

4.3 空氣二氧化碳濃度傳感器模塊

采用MG811二氧化碳感應(yīng)探頭作為敏感元件，其硬件接口電路如圖2(c)所示。模塊可設(shè)定閾值，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過閾值時(shí)，DOUT引腳輸出低電平。模塊亦可在AOUT引腳輸出模擬電壓，根據(jù)電壓大小查表即可得知當(dāng)前空氣二氧化碳濃度參數(shù)。測量范圍為0~10000ppm.

MG811二氧化碳傳感器具有靈敏度高、選擇性良好、使用壽命長、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。模塊內(nèi)部帶有溫度補(bǔ)償輸出，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，輸出電壓信號(hào)變化，溫度變化量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓輸出變化量，從而通過程序補(bǔ)償該溫度變化量，使探頭能更有效的檢測。

4.4 光照強(qiáng)度傳感器模塊

采用BH1750光強(qiáng)采樣模塊來測量光照強(qiáng)度，其硬件接口電路如圖2(d)所示。該模塊光譜范圍與人眼相近，對光源依賴性不大，具有測量范圍寬(1~65535勒克斯)和高分解的特點(diǎn)。內(nèi)部帶有1.8V電壓的邏輯輸入接口，照度數(shù)字轉(zhuǎn)換器，I2C總線接口，因此無需任何外部器件即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的光照強(qiáng)度采樣。

4.5 鍵盤顯示、報(bào)警、電源模塊鍵盤與顯示模塊是用戶與溫室環(huán)境檢測儀進(jìn)行信息交流的模塊，鍵盤由多個(gè)按鍵組成，顯示電路采用Nokia5110液晶顯示模塊，報(bào)警電路則由發(fā)光二極管、三極管、蜂鳴器組成，其硬件電路如圖3所示。電源模塊采用穩(wěn)壓芯片使蓄電池電壓轉(zhuǎn)化成所需要的供電電壓，其硬件電路如圖4所示。

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫室環(huán)境檢測儀軟件設(shè)計(jì)主要包括按鍵掃描設(shè)計(jì)、Nokia5110顯示程序的設(shè)計(jì)、I2C通信接口設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)采樣成功后進(jìn)行處理并送液晶顯示，再判斷是否偏離預(yù)先設(shè)定的閾值，沒偏離，則繼續(xù)采樣，若偏離則控制外部設(shè)備如供水、溫控、照明、濕度控制等系統(tǒng)進(jìn)行適量的調(diào)控，直至采樣數(shù)據(jù)回到閾值之內(nèi)，則達(dá)到檢測的目的，從而維持溫室環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定。

6.結(jié)論

溫室環(huán)境所需控制的理化指標(biāo)眾多，為了能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制這些理化指標(biāo)并使多項(xiàng)理化指標(biāo)測量一體化，采用單片機(jī)及傳感器實(shí)現(xiàn)的溫室環(huán)境檢測儀，先采樣溫室環(huán)境參數(shù)，然后根據(jù)設(shè)定的閾值判斷是否超標(biāo)或過低，從而控制外部設(shè)備的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)平衡溫室各項(xiàng)理化指標(biāo)參數(shù)，使溫室環(huán)境參數(shù)維持穩(wěn)定。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案達(dá)到溫室環(huán)境參數(shù)檢測的要求。