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智慧農業

溫室花房控制系統開發設計


隨著人們的生活水平的日益提高,對花卉欣賞以及花卉使用的需求越來越大,人們想方設法突破溫度的限制,以實現在各種地區氣候都能培育種類繁多的花卉來,花卉溫室控制發展越來越多,但需要的人力、物力是非常巨大的,并且收益并不怎么明顯。鑒此,我們設計出基于單片機技術的花房控制系統,讓花房發揮更大功效。即使在規模較小,設備不齊全的花房里也可發揮大部分作用,也為部分條件不好的花農提供福音。

一、花房溫室系統設計方案

本項目為基于單片機技術的花房控制系統。本設計在主控芯片控制的各個傳感器和裝置的基礎上,滿足多方位數據的采集,智能自動調控的基本目的,同時添加GSM遠程通信,在自動基礎上可以遠程對任何環境參數進行設定,滿足花農對不同花類在不同生長期對環境的特定需求的。在如此的基礎上可以實現多功能,全天候對花房的環境因素的調控,也保證擁有實時抽樣檢測的特點。由于裝置簡單,特點明確,可以根據花房的形狀與大小進行全系統裝置的合理縮放,保證各個規模的花農都可以在相對經濟的基礎上用到方便的智能化裝置。系統框圖如圖1所示。

圖 1 花房控制系統設計框圖

利用STC15系列單片機建立主控平臺,結合花房參數采集的各類傳感器和GSM(SIM300)通信模塊。傳感器實時采集花房內各類環境信息(溫度,濕度,二氧化碳濃度,光照強度,氧氣濃度等)傳遞給單片機,單片機根據原設定參數范圍進行比較,將范圍之外的參數進行分析,得出需要調控的程度并控制效應器進行適度的調控使得該目標參數回歸至合適的范圍內。本設計支持用戶通過手機主動指令,即可在花農遠離花房的前提下進行對花房當下數據的采集,并且可以遠程重設數據范圍,以滿足各類花卉在不同生長期對環境的而特殊需求。

二、單片機與GSM模塊的通信描述

單片機與GSM模塊的通信采用232通信接口,軟件的關鍵是做好單片機對手機AT指令的操作。GSM模塊采用SIM300,SIM300帶有標準的串行通信接口通過MAX232進行電平轉換后與單片機進行接口。設置SIM300模塊的工作模式為PDU模式。使用文本模式收發短信代碼簡單,實現起來容易,但最大的缺點是不能收發中文短信;而PDU模式不僅支持中文短信,也能發送英文短信。PDU相當于一種數據結構,它包含源、目的地址,有效時間,數據格式,協議類型和正文。

三、花房溫室控制系統方案優勢

比較人工的控制來說,花房智能控制最大的好處就是能夠相對恒定的控制花房內部的環境,對于環境要求比較高的植物來說,更能避免因為人為因素而造成生產損失相對生產來說,將智能化控制系統應用到花卉生產以后,花卉的培育比人工控制的花房都有極大的提高,對于不同的花卉品種而言,保證品相和成活率,對于檔次較高的珍貴品種來說,生產效率可以大大提高。花房應用自動控制技術,可達到改善花卉品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的,尤其是可實現溫室管理的高效和精準。對于規模化的大棚設施而言,如果借助人工來調控溫大棚內的環境條件,需要大量人手和時間,而且存在難以避免的人工誤差。如果應用GSM自動控制技術,用戶只需通過手機向GSM發送短息,單片機接收并識別指令信息,進行應對操作。在最短的時間里代替人工操作,完成對花房的智能調控。極大地避免過度依賴網絡而使得本分地區過于偏遠和規模較小的花房無法進行智能控制裝置的安裝的缺點。

溫度在日常生活中扮演著極其重要的角色。如冷藏庫溫度監測、藥廠監測系統、電信機房監控、樓宇自控、倉庫溫度監測、環境監測、過程溫度監測、中央空調監測、農業溫度大棚等許多領域均具有良好的應用前景。這里的關鍵技術涉及到信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技術)。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品,尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農業生產、科學研究和生活等領域,數量高居各種傳感器之首。溫度傳感器正從模擬式向數字式,從集成化向智能化、網絡化的方向飛速發展。DS18B20是一種可組網的高精度數字溫度傳感器,由于其具有單總線的優點,非常適用于構建高精度、多點網絡化溫度測量系統,實現對各測量點溫度的實時采集、顯示、超限報警、數據記錄、歷史查詢、曲線繪制等功能。因此,研究采用數字溫度傳感器(DS18B20)如何組建并基于嵌入式操作系統的多點溫度監測系統具有現實意義。

四、基于ARM的花房溫度監控系統設計原理

該系統是一種采用實時操作系統?C/OS-П、高速ARM微控制器、數字溫度傳感器,LCD顯示、Flash存儲等5個單元組成。通過RS232/RS48串口通信實現與上位機進行數據傳輸的新型分布式高速多點花房溫度監測系統。

該系統的核心部件是ARM微處理器向溫度傳感器發送控制信號,溫度傳感器采集溫度數據并傳送給ARM處理器,處理器將采集到的數據通過LCD實時顯示并定時將溫度數據存儲到Flash中,通過UART串口將保存的溫度數據由(RS232/485)有線傳輸到上位機,實現數據庫的建立,將這些數據長期存儲起來,以備查看歷史數據庫以數值和繪制動態曲線的方式顯示,實現歷史數據打印,用作后期分析與研究,或者提醒用戶進行相應的操作。

五、溫室花房系統硬件平臺的構建與器件選擇

(1)控制平臺:若用ARM9作為溫度測控系統的控制平臺則不僅速度快、性能高、功耗低、芯片集成度高,而且外圍接口豐富,還可移植嵌入式實時操作系統,簡化了LCD顯示、存儲、網絡通信等的設計開發。系統采用Embest公司的ARM 9實驗教學開發板Embest EDUKIT-П/Ш。

(2)系統總線的選擇:嚴格的通信協議可以保證各位數據傳輸的正確性和完整性。組建多點溫度監測到上位機/下位機通信系統,考慮到成本、傳輸距離、傳輸速率、傳輸的方向,以及在總線上允許連接的收發器的個數,比如RS232只允許連接1個收發器;RS-422總線協議采用單向傳輸方式;RS-485總線協議增加了多點,具有雙向通信能力,即允許多個發送器連接在同一條總線上,同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性。因此選擇成本相對較低,通信距離相對較遠的RS-485協議進行下位機和上位機的通信。

(3)數據采集單元選擇:溫度傳感器(DS18B20)的"一線總線(1-wire-bus)"特性可以方便地使每個模塊都有一個獨立地址,其優越性為(1)僅使用ARM一條端口線就能與諸多DS18B20通信,占用微處理器的端口較少,可節省大量的引線和邏輯電路,可以方便地實現智能單元擴展,組成多點多種傳感器信號采集系統;(2)現場溫度直接以"一線總線"的數字方式傳輸,大大提高了系統的抗干擾性,適合于惡劣環境的現場溫度測量,(3)新型現場總線所配備的相應總線模塊具有極強的聯網特性,在溫度、濕度測控網絡化方面得到了快速的發展。

利用嵌入式高速微處理器ARM和單總線數字溫度傳感器DS18B20構建的測溫網絡設計靈活、方便、抗干擾能力也較強、分辨率高、高速處理數據,適合于在惡劣環境下進行現場溫度測量。因此本文所設計的系統采用DS18B20數字溫度傳感器。

(4)數據采集與串口通信功能:嵌入式系統由于集成了UART串口部件交換數據,故串口通信是一種最基本的通信手段。系統中,系統中DS18B20負責溫度采集、ARM處理器負責處理和控制,上位機進行現場可視化檢測顯示下位機采集的數據和對下位機進行各種參數設置。通過Embest EDUKIT-П/Ш開發板的串口UART0與PC機進行設備間的通訊,構成總線式測溫網絡系統。

(5)LED顯示與控制:采用共陰極8段數碼管來顯示溫度,其顯示由ZLG7290控制,其中DIG1~DIG8引腳輸出LED顯示所需的位驅動信號,而SEGA~SEGG及DP引腳輸出LED顯示所需的段驅動信號。

(6)看門狗電路:看門狗電路是保證系統長期、可靠和穩定運行的有效措施,是在微控制器受到干擾進入錯誤狀態后,使系統在一定時間間隔內進行復位,看門狗定時器會在每128個系統時鐘周期發出一個復位信號,也可作為一個通用的16位中斷定時器來請求中斷服務。

總結

基于單片機技術的花房控制系統不但能解決設施花房溫度和光照的控制問題,為花卉培育的標準化、規模現代化發提供必要的技術支撐。同時以實現GSM對花房實施遠程人工控制和實時監測,用戶通過發送信息指令控制花房的各項參數,保證各項參數在預設范圍之內,減輕勞動者的壓力,節省時間,減少開支,增加收入,有著深遠的現實意義。

將嵌入式系統與現場總線技術、互聯網技術結合的嵌入式遠程監控系統,可將監視范圍擴大到更大的空間,進一步推進了控制技術向網絡化、分散化和開放化的發展,將成為工業控制網絡重要的發展方向之一。基于ARM的多點溫度監控系統,不僅電路簡單,而且方便實用。還可以在系統的基礎上,加入更多的監視信號,如濕度、壓力等;也可以通過現場顯示、有線傳輸、無線發送等方式實現遠程監控,使得整個系統在傳輸方式和采集的數據信息上均可實現多樣化。

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