農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案（包括軟硬件實現(xiàn)）

時間：2018-10-01 12:10:01

關(guān)鍵字： at32uc3a0512 溫度傳感器設(shè)計教程溫室監(jiān)控系統(tǒng) 無線透傳

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導(dǎo)讀]本項目通過溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器DHT11和水壓傳感器D3B來采集大棚內(nèi)溫度、濕度和水位等信息情況，并用無線透傳模塊LSDRF4717M04發(fā)送到溫室大棚主控制臺，主控制臺通過液晶N5110顯示大棚內(nèi)溫度，濕度和水位情況，農(nóng)戶可以通過按鍵，自己設(shè)定植物生長的最適溫度，濕度及水位范圍，一旦發(fā)現(xiàn)溫度、濕度及水位超出設(shè)定的范圍，則

一、項目概述

1.1 引言

近年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、水位等環(huán)境因子對作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達到科學(xué)合理種植的要求，存在大量的資源浪費，違背了環(huán)境保護的主題。目前國內(nèi)可以實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價格昂貴，不適合國情。

針對目前大棚發(fā)展的趨勢，提出了一種農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。本項目通過溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器DHT11和水壓傳感器D3B來采集大棚內(nèi)溫度、濕度和水位等信息情況，并用無線透傳模塊LSDRF4717M04發(fā)送到溫室大棚主控制臺，主控制臺通過液晶N5110顯示大棚內(nèi)溫度，濕度和水位情況，農(nóng)戶可以通過按鍵，自己設(shè)定植物生長的最適溫度，濕度及水位范圍，一旦發(fā)現(xiàn)溫度、濕度及水位超出設(shè)定的范圍，則通過GPRS模塊將大棚內(nèi)溫度、濕度和水位等信息發(fā)送到農(nóng)戶手機中。農(nóng)戶根據(jù)經(jīng)驗，在很遠的地方回復(fù)短信給溫室大棚主控制臺，主控制臺根據(jù)農(nóng)戶的命令來執(zhí)行相應(yīng)的措施。另外，我們基于TCP/IP和WEB的嵌入式以太網(wǎng)控制器，實現(xiàn)網(wǎng)頁監(jiān)測、控制。

1.2 項目背景/選題動機

溫室產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展速度很快。如在荷蘭的阿姆斯特丹 RAI展覽館每年11月舉辦一次國際花卉展覽會，2003 年就有來自世界各國的 477 個廠商展示了各自的產(chǎn)品和實力。荷蘭、日本、以色列、美國、韓國、西班牙、意大利、法國、加拿大等國是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達的國家，溫室以大型溫室為主。這些高水平大型溫室的環(huán)境控制系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器采集室溫、葉濕、地濕、室內(nèi)濕度、土壤含水量、溶液濃度、水位、風(fēng)速、風(fēng)向、以及植物作物生長狀態(tài)等有關(guān)參數(shù)，結(jié)合作物生長所需最佳條件，有效調(diào)節(jié)有關(guān)設(shè)備裝置，將室內(nèi)溫、濕、光、水、肥、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。

國內(nèi)外溫室大棚的對比

1.科技含量低，中國的設(shè)施園藝無論是在溫室設(shè)施本身還是在栽培管理方面，大多數(shù)設(shè)施結(jié)構(gòu)簡單，栽培管理以傳統(tǒng)的經(jīng)驗為主，距離數(shù)量化和指標化的要求還有相當(dāng)大的差距。中國溫室市場上目前使用的不少產(chǎn)品，在高品質(zhì)領(lǐng)域主要以國外產(chǎn)品為主，遮明網(wǎng)的生產(chǎn)上以瑞典、以色列的高品質(zhì)產(chǎn)品為主，溫室環(huán)境控制系統(tǒng)領(lǐng)域上國內(nèi)的產(chǎn)品同樣與國外有相當(dāng)大的差距，而且國內(nèi)現(xiàn)有的一些科研成果與真正地推廣應(yīng)用之間還有一段差距。

2．環(huán)境調(diào)控技術(shù)與設(shè)備落后，缺乏理論基礎(chǔ)與量化指標。由于絕大多熱園藝設(shè)施類型過于簡易，因此對環(huán)境的調(diào)節(jié)和控制十分有限。張福墁教授認為，塑料大棚往常在遇到災(zāi)害性天氣時受損，無法生產(chǎn)。即使在正常天氣，大部分塑料大棚所能進行的環(huán)境調(diào)控手段也僅限于通風(fēng)和避風(fēng)。日光溫室遇到寒流或連陰(雪)天，光照不足失去熱源和光源時，室內(nèi)光照、溫度、濕度都會出現(xiàn)不適臺植物生長的逆境，輕則減產(chǎn)，重則絕收(如從2008年1月10開始的長達1月之久的連續(xù)降雪天氣)，造成不同程度的經(jīng)濟損失。

3．缺乏與我國相適應(yīng)的溫室優(yōu)化控制軟件。目前，我國引進溫室的控制系統(tǒng)大多運行費用過高，而自行研制的控制系統(tǒng)又缺乏相應(yīng)的優(yōu)化軟件，多數(shù)仍使用單因子開關(guān)量進行環(huán)境因子的調(diào)節(jié)。而實際上溫室內(nèi)的光照、氣溫、地溫、濕度及水位等環(huán)境要素是在彼此關(guān)聯(lián)著的環(huán)境中對作物的生長產(chǎn)生影響的，而且環(huán)境要素的時間變化和空間變化都很復(fù)雜，當(dāng)改變某一環(huán)境因子時常會把其他環(huán)境因子變到一個不適宜的水平上。因此，結(jié)合溫室內(nèi)的物理模型、作物的生長模型和溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟模型，開發(fā)出一套與我國溫室生產(chǎn)現(xiàn)狀相適應(yīng)的環(huán)境控制優(yōu)化軟件是非常重要和十分迫切的。

4．中國的溫室建設(shè)上盲目性很大。大量的項目在相應(yīng)的配套設(shè)備、人才不到位的情況下，盲目地從國外引進高新技術(shù)，盲目地低水平仿制國外產(chǎn)品。溫室種植管理上，產(chǎn)品種植前經(jīng)過市場考察的很少，往往造成產(chǎn)品積壓，帶來不應(yīng)有的損失。相關(guān)的種植管理方面的研究距離理論化、科學(xué)化、系統(tǒng)化地指導(dǎo)生產(chǎn)實踐還有不少差距。溫室企業(yè)在產(chǎn)品的售后配套服務(wù)方面尚不夠完善，企業(yè)的品牌意識、誠信意識不夠相當(dāng)溫室控制軟件的研究上與國外企業(yè)相比有相當(dāng)大的差距。

技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀：

現(xiàn)代溫室中常見的能自動控制的調(diào)控機構(gòu)有:頂部通風(fēng)窗、側(cè)面通風(fēng)窗、外遮陽簾幕、內(nèi)遮陽簾幕、軸流通風(fēng)機、降溫濕簾、人工補光燈、二氧化碳施肥器、加熱設(shè)備、噴霧系統(tǒng)及熏蒸設(shè)備。控制器綜合調(diào)節(jié)各個機構(gòu)，使系統(tǒng)在運行中節(jié)約能源的同時保證室內(nèi)氣候滿足植物生長需求。使用的控制器可以有很多選擇，如單片機、工控機、PLC、通用PC機等?？刂破髦g可以通過局域網(wǎng)或現(xiàn)場總線進行信息交換。國內(nèi)外研究學(xué)者對控制系統(tǒng)和控制算法做了大量的研究。

我國溫室產(chǎn)業(yè)起步比較晚。自70年代末起，我國先后從日本、美國、荷蘭和保加利亞等國引進了40套左右的現(xiàn)代化溫室成套設(shè)備。雖然這些溫室技術(shù)領(lǐng)先、設(shè)備先進，但在我國的使用過程中還存在較嚴重問題，主要有以下幾點:引進價格高，運行經(jīng)濟效益差;技術(shù)要求過高，要求經(jīng)營者既要懂農(nóng)業(yè)技術(shù)，熟悉英文，還要掌握電腦操作和機械運營和維護;運營模式?jīng)]有與中國的實際結(jié)合起來，不適合于我國的氣候特征。所以，研究開發(fā)符合我國國情、產(chǎn)生明顯經(jīng)濟效益并適用于大范圍推廣應(yīng)用的自動控制溫室系統(tǒng)己經(jīng)迫在眉睫。基于以上的種種原因，我國的農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達國家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了溫室中溫度、濕度、光照等單因子控制技術(shù)的研究，并逐步推出既適宜我國經(jīng)濟發(fā)展水平又能滿足不同生態(tài)氣候條件要求的溫室控制系統(tǒng)。

二、需求分析

2.1 功能要求

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

用戶可以通過上位機軟件、手機短信，查詢大棚溫度、濕度和水位并控制大棚薄膜、排風(fēng)口、進出水閥、加熱器的打開與關(guān)閉。主控器將溫度、濕度和水位等信息發(fā)送至上位機軟件或用戶手機。也可將溫度和水位調(diào)整至設(shè)定值,實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)大棚的高效管理、對自然資源的高效利用。用戶也可以通過網(wǎng)址訪問大棚的情況，通過網(wǎng)絡(luò)來對大棚實施監(jiān)控。

網(wǎng)絡(luò)部分我們將使用AT32UC3A0512片內(nèi)集成的10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC接口來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。初步方案，我們將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)單獨用一個單片機來實現(xiàn)，再通過UART來實現(xiàn)個模塊間的數(shù)據(jù)的交互。不過在不影響主控單片機的反應(yīng)速率和執(zhí)行效率下，我們會盡量把網(wǎng)絡(luò)部分和主控部分集成在一塊單片機內(nèi)，以此來降低產(chǎn)品的成本與功耗。

2.2 性能要求

農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

在保溫性能方面，該大棚模型加溫耗能少，降低能耗，溫室大棚透光材料覆蓋面積較大，薄膜保溫性好。

在耐用性方面，該大棚模型使用壽命比較長，傳感器使用壽命長，抗干擾性較強。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，有數(shù)據(jù)檢驗，傳輸?shù)牟ㄌ芈时容^，使數(shù)據(jù)有效傳輸。

在能耗方面，該大棚模型使用功耗低的AVR系列中的AT32UC3A0512，在不使用外設(shè)時關(guān)閉電機驅(qū)動芯片的使能腳。

在數(shù)據(jù)保存方面，該大棚模型可以記錄歷史數(shù)據(jù)，方便查詢。

在遠程操控方面，該大棚模型可以通過手機短信和網(wǎng)絡(luò)來實行遠程操控。

在環(huán)保方面，該大棚模型能耗低，材料使用塑料棚，鋁棒，保鮮薄膜等。

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

網(wǎng)絡(luò)模塊

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用

主控器選用AT32UC3A0512；

AT32UC3A0512主要特性如下：

高性能，低功耗AVR32UC 32位微控制器

精簡單周期RISC指令集，含DSP指令集

“讀-改-寫”三步操作和位元處理操作

1.49 DMIPS/MHz性能表現(xiàn)

在FLASH中66 MHz下，高達91 DMIPS的運行速度(1等待狀態(tài))

在FLASH中33 MHz下，高達49 DMIPS的運行速度(0等待狀態(tài))

內(nèi)存保護單元

多層次總線系統(tǒng)

通過為提高性能而設(shè)的獨立總線上，實現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)傳輸

15個外設(shè)DMA通道，提高外設(shè)通信速度

內(nèi)部高速FLASH

512K Bytes

單周期訪問速度高達33 MHz

預(yù)取緩沖，優(yōu)化了指令執(zhí)行效率，達到最高速度

4ms頁面編程時間和8ms整片擦除時間

100,000次寫周期，15年數(shù)據(jù)保存能力

FLASH安全鎖定和用戶自定義配置區(qū)

內(nèi)部高速SRAM，全速單周期訪問

64K Bytes

外部存儲器接口，用于AT32UC3A0擴展

兼容SDRAM/SRAM存儲器總線(16位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線)

中斷控制器

自動向量低延時中斷服務(wù)，帶可編程優(yōu)先級

系統(tǒng)功能

電源時鐘管理，含內(nèi)部RC時鐘和1個32KHz晶振

兩個多用途振蕩器和雙鎖相環(huán)(PLL)，允許獨立CPU頻率，不受USB頻率影響

看門狗定時器，實時時鐘定時器

通用串行總線

Device 2.0全速，以及On-The-Go(OTG)低速和全速

通過專用的DMA通道實現(xiàn)靈活的端點配置和管理

片上收發(fā)器，含上拉電阻

10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC接口

802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器

支持媒體獨立接口(MII)和簡化MII(RMII)

1個三通道16位定時/計數(shù)器(TC)

3個外部時鐘輸入，PWM，接收和多種計時能力

1個7通道16位脈寬調(diào)制控制器(PWM)

4個通用同步/異步接收/發(fā)送器(USART)

獨立波特率發(fā)生器，支持SPI，IrDA和ISO7816接口

支持硬件握手操作，RS485接口和調(diào)制解調(diào)線路

2個主/從串行外設(shè)接口(SPI)，帶片選信號

1個同步串行協(xié)議控制器

支持I2S協(xié)議和通用基于框架協(xié)議

1個主/從2-wire接口(TWI)，兼容400kbit/s I2C

1個8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

16位立體聲比特流

采樣速率最高可達50 KHz

片上調(diào)試系統(tǒng)(JTAG接口)

Nexus Class 2+，運行控制，非強加數(shù)據(jù)和程序跟蹤

100腳 TQFP(69 GPIO引腳)，144腳 LQFP(109 GPIO引腳)

5V輸入容差I(lǐng)/Os

3.3V單電源供電或1.8V-3.3V雙電源供電

資源配置

使用AT32UC3A0512中的10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC接口，802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器。

2個USART，AD，定時器和外部中斷。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

GPRS模塊程序流程介紹：

首先是GPRS初始化，包括AT指令，文本格式接收；然后判斷是否有短信或者是有數(shù)據(jù)發(fā)送過來；然后將手機接收到的命令轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS主控器，將接收到的數(shù)據(jù)在N5110上面顯示；最后GPRS主控器通過無線模塊發(fā)送命令給采集數(shù)據(jù)的主控器。

主系統(tǒng)程序流程介紹：

首先是系統(tǒng)初始化，包括各個模塊和IO口的設(shè)置；然后溫度，濕度和水位傳感器采集數(shù)據(jù)，并在N5110上面顯示；然后判斷是否有命令發(fā)送過來，并判斷是PC機發(fā)送的還是GPRS主控器發(fā)送的；然后檢測是什么命令，并根據(jù)命令來執(zhí)行不同的動作，如打開1號大棚，打開進水電磁閥；最后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS主控器或PC機。

上位機程序流程介紹：

首先是窗體初始化；然后判斷有無串口，并設(shè)置串口格式；然后判斷有無按鍵按下，有則執(zhí)行該按鍵下面的指令，發(fā)送指令給采集主控器；最后顯示來自采集主控器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，溫度、濕度和水位。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序運行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果

實現(xiàn)本項目所有指標：

●采用溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器DHT11和水壓傳感器D3B來正確采集大棚內(nèi)溫度、濕度和水位

●采用無線透傳模塊LSDRF4717M04實現(xiàn)大棚內(nèi)溫度、濕度和水位信息傳送給溫室大棚主控制臺

●農(nóng)戶設(shè)定植物生長的最適溫度、濕度和水位范圍，本系統(tǒng)智能識別環(huán)境的變化，并自動調(diào)節(jié)環(huán)境于植物生長的最適環(huán)境，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制環(huán)境。

●主控制臺能夠顯示大棚內(nèi)溫度、濕度和水位，并可以通過GPRS模塊發(fā)送短信給農(nóng)戶

●主控制臺能夠根據(jù)農(nóng)戶的命令采取相應(yīng)措施

●通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚進行監(jiān)控