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

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

近年來(lái)，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來(lái)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(duì)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(dá)到科學(xué)合理種植的要求，存在大量的資源浪費(fèi)，違背了環(huán)境保護(hù)的主題。目前國(guó)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)上述環(huán)境因子自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見(jiàn)，而引進(jìn)國(guó)外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，不適合國(guó)情。

針對(duì)目前大棚發(fā)展的趨勢(shì)，提出了一種農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目通過(guò)溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器DHT11和水壓傳感器D3B來(lái)采集大棚內(nèi)溫度、濕度和水位等信息情況，并用無(wú)線透?jìng)髂KLSDRF4717M04發(fā)送到溫室大棚主控制臺(tái)，主控制臺(tái)通過(guò)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(guò)按鍵，自己設(shè)定植物生長(zhǎng)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(guò)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(jī)中。農(nóng)戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在很遠(yuǎn)的地方回復(fù)短信給溫室大棚主控制臺(tái)，主控制臺(tái)根據(jù)農(nóng)戶的命令來(lái)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)監(jiān)測(cè)、控制。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

溫室產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)在國(guó)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(guó)際花卉展覽會(huì)，2003 年就有來(lái)自世界各國(guó)的 477 個(gè)廠商展示了各自的產(chǎn)品和實(shí)力。荷蘭、日本、以色列、美國(guó)、韓國(guó)、西班牙、意大利、法國(guó)、加拿大等國(guó)是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)的國(guó)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(zhǎng)狀態(tài)等有關(guān)參數(shù)，結(jié)合作物生長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外溫室大棚的對(duì)比

1.科技含量低，中國(guó)的設(shè)施園藝無(wú)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(jiǎn)單，栽培管理以傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)為主，距離數(shù)量化和指標(biāo)化的要求還有相當(dāng)大的差距。中國(guó)溫室市場(chǎng)上目前使用的不少產(chǎn)品，在高品質(zhì)領(lǐng)域主要以國(guó)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(guó)內(nèi)的產(chǎn)品同樣與國(guó)外有相當(dāng)大的差距，而且國(guó)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(biāo)。由于絕大多熱園藝設(shè)施類型過(guò)于簡(jiǎn)易，因此對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)和控制十分有限。張福墁教授認(rèn)為，塑料大棚往常在遇到災(zāi)害性天氣時(shí)受損，無(wú)法生產(chǎn)。即使在正常天氣，大部分塑料大棚所能進(jìn)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(shí)，室內(nèi)光照、溫度、濕度都會(huì)出現(xiàn)不適臺(tái)植物生長(zhǎng)的逆境，輕則減產(chǎn)，重則絕收(如從2008年1月10開(kāi)始的長(zhǎng)達(dá)1月之久的連續(xù)降雪天氣)，造成不同程度的經(jīng)濟(jì)損失。

3．缺乏與我國(guó)相適應(yīng)的溫室優(yōu)化控制軟件。目前，我國(guó)引進(jìn)溫室的控制系統(tǒng)大多運(yùn)行費(fèi)用過(guò)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(kāi)關(guān)量進(jìn)行環(huán)境因子的調(diào)節(jié)。而實(shí)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(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響的，而且環(huán)境要素的時(shí)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(shí)常會(huì)把其他環(huán)境因子變到一個(gè)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(zhǎng)模型和溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)模型，開(kāi)發(fā)出一套與我國(guó)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(guó)的溫室建設(shè)上盲目性很大。大量的項(xiàng)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(guó)外引進(jìn)高新技術(shù)，盲目地低水平仿制國(guó)外產(chǎn)品。溫室種植管理上，產(chǎn)品種植前經(jīng)過(guò)市場(chǎng)考察的很少，往往造成產(chǎn)品積壓，帶來(lái)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(shí)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(shí)、誠(chéng)信意識(shí)不夠相當(dāng)溫室控制軟件的研究上與國(guó)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(jiàn)的能自動(dòng)控制的調(diào)控機(jī)構(gòu)有:頂部通風(fēng)窗、側(cè)面通風(fēng)窗、外遮陽(yáng)簾幕、內(nèi)遮陽(yáng)簾幕、軸流通風(fēng)機(jī)、降溫濕簾、人工補(bǔ)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?？刂破骶C合調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)在運(yùn)行中節(jié)約能源的同時(shí)保證室內(nèi)氣候滿足植物生長(zhǎng)需求。使用的控制器可以有很多選擇，如單片機(jī)、工控機(jī)、PLC、通用PC機(jī)等。控制器之間可以通過(guò)局域網(wǎng)或現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行信息交換。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)控制系統(tǒng)和控制算法做了大量的研究。

我國(guó)溫室產(chǎn)業(yè)起步比較晚。自70年代末起，我國(guó)先后從日本、美國(guó)、荷蘭和保加利亞等國(guó)引進(jìn)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(jìn)，但在我國(guó)的使用過(guò)程中還存在較嚴(yán)重問(wèn)題，主要有以下幾點(diǎn):引進(jìn)價(jià)格高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差;技術(shù)要求過(guò)高，要求經(jīng)營(yíng)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(jī)械運(yùn)營(yíng)和維護(hù);運(yùn)營(yíng)模式?jīng)]有與中國(guó)的實(shí)際結(jié)合起來(lái)，不適合于我國(guó)的氣候特征。所以，研究開(kāi)發(fā)符合我國(guó)國(guó)情、產(chǎn)生明顯經(jīng)濟(jì)效益并適用于大范圍推廣應(yīng)用的自動(dòng)控制溫室系統(tǒng)己經(jīng)迫在眉睫?；谝陨系姆N種原因，我國(guó)的農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(guò)上位機(jī)軟件、手機(jī)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(jìn)出水閥、加熱器的打開(kāi)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(jī)軟件或用戶手機(jī)。也可將溫度和水位調(diào)整至設(shè)定值,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的高效管理、對(duì)自然資源的高效利用。用戶也可以通過(guò)網(wǎng)址訪問(wèn)大棚的情況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)大棚實(shí)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(lái)實(shí)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(dú)用一個(gè)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，再通過(guò)UART來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)的交互。不過(guò)在不影響主控單片機(jī)的反應(yīng)速率和執(zhí)行效率下，我們會(huì)盡量把網(wǎng)絡(luò)部分和主控部分集成在一塊單片機(jī)內(nèi)，以此來(lái)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(kāi)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(zhǎng)，傳感器使用壽命長(zhǎng)，抗干擾性較強(qiáng)。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，有數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，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(shí)關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)程操控方面，該大棚模型可以通過(guò)手機(jī)短信和網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)行遠(yuǎn)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(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)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(tái)選用及資源配置

硬件平臺(tái)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(jiǎn)單周期RISC指令集，含DSP指令集

“讀-改-寫(xiě)”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(dá)91 DMIPS的運(yùn)行速度(1等待狀態(tài))

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

內(nèi)存保護(hù)單元

多層次總線系統(tǒng)

通過(guò)為提高性能而設(shè)的獨(dú)立總線上，實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)傳輸

15個(gè)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(wèn)速度高達(dá)33 MHz

預(yù)取緩沖，優(yōu)化了指令執(zhí)行效率，達(dá)到最高速度

4ms頁(yè)面編程時(shí)間和8ms整片擦除時(shí)間

100,000次寫(xiě)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(wèn)

64K Bytes

外部存儲(chǔ)器接口，用于AT32UC3A0擴(kuò)展

兼容SDRAM/SRAM存儲(chǔ)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(dòng)向量低延時(shí)中斷服務(wù)，帶可編程優(yōu)先級(jí)

系統(tǒng)功能

電源時(shí)鐘管理，含內(nèi)部RC時(shí)鐘和1個(gè)32KHz晶振

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

看門狗定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)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(guò)專用的DMA通道實(shí)現(xiàn)靈活的端點(diǎn)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(wèn)控制器

支持媒體獨(dú)立接口(MII)和簡(jiǎn)化MII(RMII)

1個(gè)三通道16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器(TC)

3個(gè)外部時(shí)鐘輸入，PWM，接收和多種計(jì)時(shí)能力

1個(gè)7通道16位脈寬調(diào)制控制器(PWM)

4個(gè)通用 同步/異步 接收/發(fā)送器(USART)

獨(dú)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(gè)主/從串行外設(shè)接口(SPI)，帶片選信號(hào)

1個(gè)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(gè)主/從2-wire接口(TWI)，兼容400kbit/s I2C

1個(gè)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(dá)50 KHz

片上調(diào)試系統(tǒng)(JTAG接口)

Nexus Class 2+，運(yùn)行控制，非強(qiáng)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(wèn)控制器。

2個(gè)USART，AD，定時(shí)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(guò)來(lái)；然后將手機(jī)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(guò)無(wú)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(gè)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(guò)來(lái)，并判斷是PC機(jī)發(fā)送的還是GPRS主控器發(fā)送的；然后檢測(cè)是什么命令，并根據(jù)命令來(lái)執(zhí)行不同的動(dòng)作，如打開(kāi)1號(hào)大棚，打開(kāi)進(jìn)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(jī)。

上位機(jī)程序流程介紹：

首先是窗體初始化；然后判斷有無(wú)串口，并設(shè)置串口格式；然后判斷有無(wú)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(lái)自采集主控器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，溫度、濕度和水位。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序運(yùn)行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目所有指標(biāo)：

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

●采用無(wú)線透?jìng)髂KLSDRF4717M04實(shí)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(tái)

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

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

●主控制臺(tái)能夠根據(jù)農(nóng)戶的命令采取相應(yīng)措施

●通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行監(jiān)控

●通過(guò)上位機(jī)軟件和手機(jī)短信來(lái)控制大棚

此外，我們將盡可能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，形成一個(gè)完善可行的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)。

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