课程设计（论文）-总线型温室大棚监控系统设计.docx

电子科学与技术专业电子系统设计综合实践终期报告总线型温室大棚监控系统设计1 任务要求某农场主打算为自己的温室大棚构建监控系统，采用先进的技术对温室环境的重要参数进行检测和控制，为温室大棚内的蔬菜、水果、花卉等创造优良的环境，增加大棚的产量。大棚结构如图1所示。图1 大棚结构图用户需求：1）大棚环境监测功能： 监测大棚内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳气体浓度、光照度等。2）防盗报警功能：有人未经允许闯入大棚，要有警报；3） 远程监控功能：通过电脑或者手机等终端远程查看温室的实时环境数据；4）根据大棚环境参数的测量，可远程、自动化控制温室内环境设备，提高工作效率，如自动灌溉系统、风机、侧窗、顶窗等；5）监控系统的中央控制与显示放置在温室旁边的管理室中。6）视频监控功能：用户可以随时查看温室内的视频图像。为了达到以上监测目的，你可以采用一个监测节点把所有功能实现，也可以采用多个监测节点进行分布式监测然后把信息汇总到中央监控显示节点。监测节点之间通过有线或无线方法与主控节点进行信息传输。主控节点接收各个监测节点的信息，进行数据分析及报警处理。2 系统总体设计方案2.1 系统功能简介该温室采用总线型分布式无线监控系统，用RS485总线将两个STM32主控板连接在一起。第一个STM32板连接各个传感器进行数据采集并通过无线WiFi将温室的实时环境数据传输到电脑上，可以实现在管理室中进行监控。第二个STM32板接蜂鸣器、红外传感器、LED、步进电机、风扇实现驱动。系统使用第二块ARM（103Z）主控板接收并分析各个传感器所传输的数据，将所获取的数据与用户端所设置的参照数据进行对比，然后根据对比结果实现自动控制电机的开关、风扇的转动、LED的亮灭，达到温室大棚内恒温恒湿的效果。在门上装LCD显示屏，将接受的数据显示出来。同时使用键盘开关、红外传感器和蜂鸣器实现防盗报警功能。本系统同时采用FPGA作为辅助模块，将USB摄像头所接收的图像进行处理分析，最终在显示屏上出现图像，使用户能够实时监测温室大棚内的图像情况。CCC 图2 各模块分布图C 土壤温湿度传感器 空气温湿度传感器、CO传感器、光照传感器 照明灯 步进电机 红外传感器、蜂鸣器 LCD显示屏 风扇 2.2 系统组成及原理 图 3系统组成框图 1）大棚环境监测功能： 空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、一氧化碳气体浓度传感器、光照度传感器对大棚内环境情况进行采集，采集到的数据在LCD屏上显示并且可以通过wifi传到电脑上。2）防盗报警功能：当自己人在大棚时，用开关控制红外传感器关闭；当主人离开时，用开关控制红外传感器开启，这样有盗贼接近时，红外传感器工作，蜂鸣器响，LED灯亮，起到防盗报警功能。3）远程监控功能：用485通信实现远程监控，大棚内数据可以通过spi在LCD显示，也可以通过wifi在电脑上显示。4）根据大棚环境参数的测量，可远程、自动化控制温室内环境设备：设置传感器阈值，根据接受到的光照强度、空气温湿度、一氧化碳气体浓度控制步进电机开启或关闭卷帘、风扇转动，我们加入了LED灯显示此时环境参数是否超出阈值，可提高工作效率。5）监控系统的中央控制与显示：可以在LCD上或电脑上显示各个环境参数，并实现自动化控制。6）视频监控功能：用FPGA板和VGA接口实现视频监控功能。2.3 方案中对社会、法律、经济、商业成本、环境等因素的考虑当今社会，温室大棚种植各类反季作物已然成为一种趋势，实现温室大棚内各类设施的自动化以及检测温室环境和安全是不可避免的话题。本系统采用RS485总线型分布式自动化设计，能够将可靠、实时的温室信息发送给用户，并且本系统采用的主控模块和各类分模块价格低廉，对环境污染小，具有很高的性价比，在农业生产中有很大的市场潜力。3 系统模块划分与分工3.1 系统模块划分我们将整个系统分为：（1） 主机端：红外传感器、蜂鸣器、LED、LCD、步进电机、风扇。（2） 从机端：光照度传感器、温湿度传感器、一氧化碳传感器、WiFi连接的uart1串口。（3） 主机和从机的连接：485通信模块，两块STM32，通过uart2口发送，uart2口接收。（4） WiFi传输：把从机采集到的数据发送到串口1上，再把WIFI模块的RX端与串口的TX端连接起来并共地，由WIFI模块把数据通过路由器发送到电脑端和手机端。3.2 项目分工与管理 表1 项目分工任务名称工作人员 空气温湿度传感器调试和数据采集施天煜 实现485模块调试进行传感器的综合数据发送 WiFi模块配置和调试一氧化碳传感器调试和数据采集杨松泽调试步进电机可以正反方向转实现LCD显示屏数据的接收光照度传感器调试和数据采集李晓蕊用键盘开关和蜂鸣器实现红外报警模块进行相应的驱动措施和LCD显示屏数据的接收实现视频监控中图像采集与读取施天煜杨松泽李晓蕊整体系统调试全体成员4 模块设计4.1 光照度传感器模块设计与测试（1）模块设计原理：采用ROHM原装BH1750FVI芯片；供电电源：3-5v；光照度范围：0-65535 lx；传感器内置16bitAD转换器；直接数字输出，省略复杂的计算，省略标定；不区分环境光源；接近于视觉灵敏度的分光特性；可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定。 图4 BH1750FVI芯片 （2）设计方法:SCL接PB6，SDA接PB7，ADD接GND，光照传感器采用I2C协议（发送起始信号-发送设备地址+写信号-通电等待测试指令，内部寄存器地址-发送停止信号）；然后读取传感器数据（起始信号-发送设备地址+读信号-发送ACK-发送NACK-发送停止信号）,然后进行数据处理，得到光照强度。 图5 BH1750FVI芯片管脚（3）设计流程: 图6 实现光照强度调节流程图（4）测试方法:用串口助手显示是否有正确数据（5）测试结果: 图7 光照强度传感器数据发送4.2 空气温湿度传感器模块设计与测试（1）模块设计原理：用户主机（MCU）发送一次起始信号（把数据总线 SDA 拉低至少 800s）后，AM2302 从休眠模式转换到高速模式。待主机开始信号结束后，AM2302 发送响应信号，从数据总线 SDA 串行送出 40Bit 的数据，先发送字节的高位；发送的数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位、校验位，发送数据结束触发一次信息采集，采集结束传感器自动转入休眠模式，直到下一次通信来临。 图8 AM2302单总线典型电路（2）设计方法:SCL接PB6，SDA接PA7，空气温湿度传感器采用1wire协议，SDA 用于微处理器与 AM2302 之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送 40 位数据， 高位先出。 图9 AM2302单总线时序图（3）设计流程: 图10 实现空气温湿度传感器调节流程图（4）测试方法:用串口助手显示是否有正确数据（5）测试结果: 图11 各传感器数据发送4.3 一氧化碳传感器模块设计与测试 （1）模块设计原理：MQ-7 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在一氧化碳时，传感器的电导率随空气中一氧化碳浓度的增加而增大。MQ-7 气体传感器是一款适合多种应用的低成本传感器。表2 MQ-7说明与引脚名称 标识与描述升压芯片PT1301工作电压2.5V-5.0V引脚1DOUT数字量输出，接STM32GPIOA.4引脚引脚2AOUT模拟量输出，接STM32OA.6引脚引脚3GND电源地，接STM32的GND引脚4VCC(电源正2.5V-5.0V),接STM32D的3.3V （2）实现方法与思路：查阅资料了解MQ-7相应资料，配置使能STM32开发板的相应管脚，连接MQ-7到STM32配置管脚上，下载代码到开发板上，传感器模块完成；然后再配置相应管脚连接风扇，编写代码使在一范围内风扇启动。 （3）测试方法与步骤： 图12实现一氧化碳调节流程图1.首先配置STM32的相应管脚，连接MQ-7到开发板配置引脚上；2.下载代码，连接usart串口到计算机上，打开串口助手可以显示相应传感器数值，初步工作就完成了；3.连接风扇，配置风扇引脚，编写代码使在范围内置低，在范围外置高，打开串口助手，改变阈值使风扇可以工作； （4）测试结果： 图13 一氧化碳传感器数据发送 图14 一氧化碳传感器实物连接图4.4 防盗报警模块设计与测试（1）模块设计原理：全自动感应，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。 表3 hc-sr501模块电气参数电气参数产品型号人体感应模块SR501-HC工作电压范围20V-4.5直流电压静态电流50uA电平输出0V 低/ V 3.3 高触发方式重复触发 /H不可重复触发 L延时时间秒200 - 8可制作范围 ) 可调200S(-8封锁时间几十秒-可制作范围零点几秒)默认2.5S(电路板外形尺寸32mm*24mm感应角度度锥角 有人经过-蜂鸣器响、LED亮-按键断电-红外停止工作。 （4）测试方法：通过是否按键，是否有人来检测正确性。（5）测试结果：按下键盘，有人，蜂鸣器响、LED亮；再次按下，有人，蜂鸣器不响、LED灭。 图16 红外模块测试连接图4.5 步进电机模块设计与测试（1）原理：DM422采用最新的dsp32位技术，由于采用内置微细分技术，能够达到高细分的效果。（2）实现方法与思路：给设备供电后，设置方向信号先于脉冲信号16ms，控制电机的转动。与传感器整合后，当达到不同的阈值后，设置不同的的方向，控制转机的转向从而控制卷帘的升降。 图17 控制信号时序图（3） 测试方法与步骤：1.首先配置STM32的相应管脚，连接步进电机到开发板配置引脚上；2.下载代码，控制电机转动，初步工作就完成了； 3.连接光照传感器，编写代码 ，使在光照过低时，电机正向转动升起卷 帘，使在光照过高时，电机反向转动放下卷帘。（4）测试结果： 图18 步进电机实物连接图4.6 485通信模块设计与测试1.模块设计原理：RS485 芯片通常处于接收状态。 当要发送数据时： 1) 由程序控制 RSE 变为高电平。 2) UART 单元发送数据。 3) 程序等待发送完毕后，控制 RS485 芯片转换到接收状态。 4) 发送完毕的标志一般由 UART 的特定寄存器提供状态指示，程序需要去查询。 表4 485模块引脚含义表引脚符号含义Vcc单片机的电源 VCCGND单片机的电源 GNDRO接收数据端，TTL 电平，可以接单片机的 RXDI发送数据端，TTL 电平，可以接单片机的 TXRSE高电平有效的发送允许，低电平有效的接收允许；普通 IO 口 控制就可以。A差分信号正向端B差分信号反向端 图19 RS485模块2.设计方法及流程：1）将模块的对应管脚分别接入到两块Open103R开发板上面。 2) 连接 ULINK2 到其中一个 Open103R 开发板的 JTAG 接口，下载接收程 序 USART_accept。 3) 连接 ULINK2 到另一个 Open103R 开发板的 JTAG 接口，下载发送程序 USART_send。 4) 用杜邦线对应连接两个模块的 A、B 两个接口。（A 端连接另一个模块 的 A 端，B 连接另一个模块的 B 端） 注意：除了可以直接用杜邦线连接两个模块的 A 和 B 端之外，用户 也可以用 RJ11 普通电话线把两个模块连接起来，实现的效果是一样 的。 5) 上电之后，如果观察到两个板子的 LED 同时闪烁，则说明 RS485的通信是成功的。 3.测试方法：将各个传感器综合并连接到485发送端，配置485接收或发送模式，连接485硬件；下载好485的接收和发送代码，在接收端配置usart，使数据可以在串口助手上观察，如果可以看到数据，则485通信完成；4.测试结果：485通信能够稳定传输数据，从机所采集的数据能够在主机的LCD显示屏上显示。 图20 RS485模块测试连接图4.7 LCD模块设计与测试（1）模块设计原理：2.2inch 320x240 Touch LCD (A)引出了 SPI 模式的 SCK 和 MISO；只能写数据，不能读数据，SPI 的数据会经过 EPM3032（EPM3032 是一个 CPLD，内部已经写好程序）转换成 8 位的并口传输到 BD663474，BD663474 是工作在 80-series 8-bit bus interface (Big-endien)模式；WR 和 RD 已经通过了硬件处理，只能写数据，不能读数据。CS：LCD 片选信号。RS：命令/数据标志（ 0，读写命令； 1，读写数据）。WR：向 LCD 写入数据。(已经经过硬件处理，不用管软件)RD：从 LCD 读取数据。(已经经过硬件处理，不用管软件)D17：10： 8 位双向数据线。（硬件上是 EPM3032 把 SPI 的数据转成并口数据传给 D17：10）（2）设计方法：用的是spi总线协议，同时使用LCD文字库函数来显示出文字。（3）设计流程：spi初始化-LCD初始化-背景颜色设置-文字显示-接收数据。（4）测试方法：首先检测spi是否有输出，将spi接口的输出端接到示波器上，若示波器输出为方波，则证明spi有输出。连接好线路，LCD显示屏上显示数据即为成功。（5）测试结果：接收到各传感器的数据。 图21 LCD数据接收4.8 WiFi模块设计与测试模块设计原理：从机将数据传给WIFI模块，WIFI模块再通过路由器将数据传给电脑端。设计方法：配置路由器和WIFI模块，将WIFI模块和从机连接，打开电脑网络接收软件和手机网络接收软件。设计流程：（1）配置路由器 1.将路由器接上电源，通过网线连接上电脑，注意路由器上网线接LAN口，而不是WAN口，然后打开浏览器输入路由器配置的网址 2.点击无线设置，设置路由器WiFi名称,然后保存设置。3.点击无线设置，设置加密方式（如:WPA-PSK/WPA2-PSK），WiFi密码，记住你所设的密码后面要用到。然后保存设置。 4.点击DHCP服务器-DHCP服务，启用DHCP服务，地址池开始地址和地址池结束地址保持默认，这是路由器分配给节点的地址范围，后面的设置中要 用到。然后保存设置。 5.然后复位路由器，路由器就设置完成了。 （2）配置WIFI模块模块通过串口指令配置，配置前需要将模块的BOOT开关拨到H，STATUS开关拨到L，模块将进入命令模式。打开EMW ToolBox(PC)1.点击Refresh，刷新当前串口，选择相应串口，并在右侧串口属性栏中选择模块串口配置默认-波特率：115200，数据位：8，效验：None，停止位：1，点击Start按钮，开启串口。2.点击中间窗口Wireless and Power Management处将模块配置成Station Mode模式，需要将Wi-Fi Mode设置成Station Mode，在SSID设置需要连接的路由器服务器的WIFI名称，就是路由器的WIFI名称（如：TP-LINK_9ED0BE）选择加密方式（如：WPA），设置WIFI密码，就是路由器的WIFI密码（如：12345678）。3.点击中间窗口Local IP处，在Local IP中设置模块的IP地址，由于是接入路由器，如果使用静态IP，须确保IP地址与路由器在同一网段且没有冲突这里使用自动获取IP地址，选中Get IP address automatically。4.点击中间窗口TCP/UDP Connection处，在TCP/UDP Connection设置Protocol:TCP Client,Port:8081,Server IP mode:IP address,IP Address:192.168.1.102(与路由器分配给电脑的IP地址一致，可能会不同)这个Port设置和IP Address很重要，每个模块的Port都得不一样，第一个模块是8081，第二个可以是8082，第三个可以是8083，以此类推，将计算机WiFi连上路由器。5.设置参数后，点击Save Paras To Module保存配置。6.设置参数将模块的STATUS开关拨到H，此时模块会重启，并按刚配置的参数运行，此时第二个模块设置完成。测试结果： 图22 WiFi模块测试图4.9 视频监控模块设计原理模块设计原理：该传输方式采用一个发送器一个接收器，发送器将VGA视屏信号进行重新编码以差分信号在网线上面传输，到远程接收端解码还原成VGA视屏信号。设计方法：将FPGA开发板连接摄像头，再连接显示器进行视屏传输。设计流程：将FPGA、显示屏、摄像头连接，下载程序测试。测试方法：显像测试。测试结果： 图23 VGA视频传输5系统集成及测试5.1 系统集成合作及系统集成过程：（1）各小组成员将自己负责的传感器分别进行调试，数据可以通过串口助手正确显示（施天煜：温湿度传感器；李晓蕊：光照度传感器；杨松泽：一氧化碳传感器）；（2）杨松泽负责步进电机、施天煜负责485模块通信、李晓蕊负责红外报警模块；再将风扇、LED灯进行检测；（3）李晓蕊和杨松泽进行光照度传感器和步进电机的综合，实现光照强度对步进电机的自动控制；施天煜和杨松泽分别设置温湿度传感器和一氧化碳传感器的阈值来驱动风扇转动；（4）施天煜进行各个传感器的综合，并将它们连在485通信的发送端，此时所有传感器的数据可以在串口助手上正确显示；杨松泽和李晓蕊进行LCD配置使其可以显示文字、编写485通信接收端代码；（5）由施天煜主要负责发送端的调试、李晓蕊和杨松泽负责接收端的调试；我们将光照度传感器、一氧化碳传感器、温湿度传感器接在发送端即从机端，将红外传感器、蜂鸣器、键盘开关、步进电机、风扇、LCD显示屏接在接受端即主机端，通过485连线之后系统综合基本完成；（6）通过485传输发现LCD显示屏上接收不到数据，但是串口助手上有数据显示，经讨论发现，LCD显示屏一次传输八位数据，然后我们对数据进行了处理，对代码进行了改正，最后实现LCD显示屏接收数据功能；（7）施天煜配置好WiFi，然后在传感器的代码中配置一个串口，把采集到的数据发送到串口上，再把WIFI模块的RX端与串口的TX端连接起来并共地，然后小组全体成员将各个模块装入“大棚”，在发送端串口连接WiFi，进行整体调试，最后实现了基本要求及功能，并且手机端和电脑端可以同步接收到数据；（8）全体成员实现视频监控功能，可以实时采集到大棚内图像。至此，我们小组的大棚设计工作完成； 图24 大棚实物图5.2 系统集成测试1） 将两个STM32开发板，土壤温湿度传感器，空气温湿度传感器，光照传感器，二氧化碳浓度传感器，红外传感器，蜂鸣器，步进电机及驱动器，继电器，2个RS485模块，矩阵开关，24V直流电源，LCD显示屏，wifi模块及底板，计算机按代码分配引脚连好。2） 将485发送代码下载到从机，将485接收代码下载到主机。在usart1口连接已经配置好的wifi模块；准备工作完成。3） 给各模块供电。当手靠近红外传感器，蜂鸣器报警，按下矩阵开关，蜂鸣器停止报警，说明红外传感模块成功；当光照500时，步进电机反转，LED灭；正常状况下不转。同时光照度数据在LCD显示屏上显示，说明光强传感器和电机和LCD成功；当温度35或湿度50时，风扇转动，正常状况下不转。光照度数据在LCD显示屏上显示；说明温湿度传感器和风扇和LCD成功；当浓度5时，控制风扇转动，正常状况下不转。光照度数据在LCD显示屏上显示；说明二氧化碳浓度传感器和风扇和LCD成功；当各个传感器发送数据时，电脑端和手机端都可以实时接收到发过来的数据，说明WiFi模块成功。视频监控可以实时传输大棚内图像，说明视频监控功能实现。5.3 指标达成情况 表5 指标完成情况任务名称工作人员完成情况 空气温湿度传感器调试和数据采集施天煜达标 实现485模块调试进行传感器的综合数据发送达标 WiFi模块配置和调试优于指标一氧化碳传感器调试和数据采集杨松泽达标调试步进电机可以正反方向转达标实现LCD显示屏数据的接收优于指标光照度传感器调试和数据采集李晓蕊达标用键盘开关和蜂鸣器实现红外报警模块达标进行相应的驱动措施和LCD显示屏数据的接收优于指标实现视频监控中图