农业物联网的探索——智能温室大棚的研究.doc

张彬：农业物联网的探索 目录农业物联网的探索11 智能大棚的硬件系统设计11.1 基本结构硬件系统的设计21.2 接口电路设计32 智能大棚的软件系统设计63 温室大棚应用小结94 结束语10参考文献11致谢词1211 农业物联网的探索 智能温室大棚的研究 农业物联网，即在大棚控制系统中，运用物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、二氧化碳传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、二氧化碳浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。 大棚蔬菜能提供及时、反季节的新鲜蔬菜，其市场前景 良好。但是大棚蔬菜的管理非常复杂，大棚蔬菜对环境温度、湿度，光照的要求很高，要求菜农具备较强的专业蔬菜种植水平。大棚蔬菜的人力投入太多，尤其是对于反季节蔬菜的管理，基本上要求全天候值守管理。人力的大量投资会造成管理成本的增加，对于种植水平较低的农户来说，种植大棚蔬菜可能很难获利。如何在降低投资的基础上，减少人力资本，完成蔬菜大棚的增值创收成为当前农户的迫切需求。物联网是指物体通过装入射频识别设备、红外感应器、GPS 或其他方式行连接1，然后通过移动通信网络或其他方式接入到互联网，最终形成智能网络，通过电脑或手机实现对物体的智能化管理和信息采集分析。结合Internet 发展物联网技术2，构建基于物联网技术的智能蔬菜大棚，可以在有限资金投入的基础上，实现蔬菜大棚的科学化管理，提高农业增收。这种蔬菜大棚采用传感器来替代人工管理，使用基于Internet 的物联网来实现精确而专业的蔬菜管理， 放宽了菜农的蔬菜种植水平，使得不具备专业知识的人员都可实现大棚蔬菜的种植，从而拓宽致富道路，实现农业创收。 1 智能大棚的硬件系统设计 该智能大棚控制系统以16 位MCU 为主控制器，通过两套温度、湿度、光敏传感器，对大棚内外的温度、湿度、光强进行实时采集，通过A/D 转换，把信号送往MCU 进行处理3。在CPU 内部Flash 存有一个小型的温室环境数据库， 通过对两套传感器采集的环境参数进行分析对比，最终做出决策，系统自动发出指令，控制大棚内的热循环、采光、喷淋等子系统进行相应的动作；或根据LCD 上显示的信息，通过键盘采取干预性的发出控制指令，从而达到控制大棚内部环境，便于农作物的生长的目的。控制的详细指标分别为：（1）大棚内的温度基本保持在3035；（2）光强基本保持在612 格的范围之内；（3）湿度基本保持在45%75%。1.1 基本结构硬件系统的设计 该智能大棚采用MSP430 为主控制器4，用来总体协调控制整个系统，对内部A/D 采集的数据进行处理，与内部设定的数据库比较， 根据设定的各参数发出指令控制采光、照明、热循环、喷淋子系统，来改变大棚内部的环境。同时，还可利用MSP430 来驱动液晶屏， 实时地显示大棚内外的各环境参数。由于本系统主电源提供的是5 V 直流电， 而MSP430 最大工作电压是3.3 V，所以本系统利用TPS70302来给单片机供电。本系统采用两块TMP275 温度传感器，来采集大棚内外的温度值。 系统的体系结构见图1。 图1系统体总框架1.2 接口电路设计 本系统的接口电路主要涉及主控部分、驱动电路部分、液晶屏幕和键盘部分、传感器系统部分4 个模块。主控制部分主要集成了MSP430、TPS70302、JTAG 接口以及复位电路等5。在该电路上，TPS70302 主要负责电平转换，将5 V 电平转换为3 V。为了保证制版的可靠性及扩展性，可将MSP430 主控器的所有引脚都通过排针引出来。 主控部分的实际电路见图2。 图2 主控制部分实际电路 驱动电路部分通过MSP430 的P2 端口输出高低电平并利用ULN2003 来控制各水泵风扇的工作。为便于观察水泵的工作状态， 在每个泵机的两端并联了一个LED 指示灯。 驱动电路结构见图3。 图3 驱动电路结构 液晶屏与键盘部分利用P1 端口的中断来实现键盘功能， 键盘为33 的布局。P4 端口为液晶屏的8 位数据口，P5.0P5.4 为液晶屏的5 个控制端口。液晶屏与键盘部分的电路如图4 所示。 图4 液晶屏与键盘部分电路 本系统采用两套传感器，湿度和光强利用MSP430 内部A/D 通过P6.0P6.3 的4 个端口进行多通道序列采集6，温度通过P3.1P3.1 的IIC 总线进行实时的采集。 传感器系统的连接图见图5。 图5 传感器系统连接2 智能大棚的软件系统设计 该智能大棚的软件系统，通过主程序调用多种中断子程序来实现，包括定时器中断、A/D 中断和端口中断。主程序主要负责系统时钟、键盘中断、液晶屏、内部AD、定时器A B、IIC 及各种参数设置的初始化。在主循环里，负责将采集来的温度数据进行转化。主程序的主要模块如下：Initsys( arg s)check-program(init);/加密检测系统int pc=0; /时钟PCint INTE=0; /初始化中断string LCDscreen=0; /初始化屏幕状态int inAD=0; /初始化中断DAint timmer=0; /初始化计时器bool LLC=true; /初始化LLCclass cab /光照卷帘牵引类void srivke()i.pointer=2;bool LLC=flase;timmer+;void dispalyfun(i.pointer,0); /LCD 显示控制函数i.pointer=1;LCDscreen=1;LCDscreen+;class irri /灌溉牵引类void out()i.pointer=3;bool LLC=flase;timmer+;class water /喷淋牵引类void put()i.pointer=0;bool LLC=flase;timmer+;vioid main() /主函数模块dispalyfun(1,1);int pagenum=0;INTE+;water.put(LLC);cab.srivke(LLC);irri.out(LLC);while(timmer16) 为了保证系统的实时性， 本程序充分利用中断子程序， 键盘采用了PORT1 口中断， 温度采集采用了串口中断，光强和湿度则采用内部12 位ADC7，并将数据采集过程安排在ADC12 中断中， 液晶的刷新和自动启动函数的更新则分别安排在定时器A 和看门狗定时器里。为了更精确地控制大棚里的环境参数，我们采用了两套传感器子系统，采用对比式参数调节。本系统采用内部ADC。根据实际需要，我们选用了4个通道。通过指定寄存器的设置初始化ADC，并打开相应的中断。当进入ADC12 中断时，首先是将index 计数器初始化8，index 负责监控采集的次数，当次数达到32 次时，取一次平均值，可使数据更加准确。在定时器A 中，主要负责实时的刷新液晶屏9。通过将point 指针指向对应函数，从而来显示相对应的页面。在定时器B 中， 主要是通过运行check _key 函数实时地获取键盘值，并做出某些反馈。 植物温室智能控制系统采用先进的传感器技术和单片机技术，对环境的温度和湿度等参数进行检测及控制，集监、控、管于一体的温室智能化监控系统，实现了对植 物生长环境的智能化控制，改变了传统温室依靠人工操作的缺点，且基于单片机的控制系统实现了智能化、节能化、网络化，是现代温室智能控制的发展方向。3 温室大棚应用小结本设计方案可以实现对大棚室内温度、湿度、光强、二氧化碳的浓度的控制，适应于大面积种植。 通过对传感器采集的环境参数进行的分析对比，做出最终的抉择，系统自动发出指令，控制大棚的热循环、采光、喷淋等子系统进行相应的动作，通过键盘采取干预性的控制指令，从而达到控制内部环境，便于农作物健康生长。 室内效果图 4 结束语 实证研究发现，本系统的架构设计合理，功能电路实现较好，系统工作、稳定性能优良，较好地达到了预期的各项指标。设计的系统硬件安装方便，价格低廉，设计的管理界面简介友好，操作便利，能很好地监控温室大棚的温度、湿度和光照。此外，目前设计的系统预留了无线扩充端口，未来可结合移动、联通等无线网络服务商提供的短消息等服务，采用基于手机等手持终端的管理。参考文献1 王晓亮,宓奇,彭苏勉,等.物联网在我国铁路运输领域的应用与发展探讨J.铁道通信信号,2010(3):47-49.2 甘志祥.物联网发展中问题的初析J.中国科技信息,2010(5):94-96.3 史新华.物联网技术在ATM 监控安全保卫中的应用J.智能建筑与城市信息,2010(5):19-20.4 孙柏林.物联网及其电气应用研究J.电气时代,2010(5):32-38.5 李楠,胡世安,韩威,等.基于MSP430 和SD 卡的低功耗压力采集系统J.微计算机信息,2009(26):86-88.6 荣奎,陈明,战延谋,等.基于MSP430 单片机的炮兵气象观测仪数据采集系统J.国外电子测量技术,2008(3):30-32.7 潘盛辉, 郭毅锋, 黄丽敏. 基于MSP430 的手持式RFID 读写器LCD 接口设计J.广西工学院学报,2008(2):20-24.8 史旺旺,刘玉英.基于MSP430 和nRF905 的行车遥控系统设计与实现J.工业控制计算机,2007(9):65-66.9 陈毅强,原冬梅.内置T6963C 液晶显示模块在MSP430 中的控制应用J.电子技术,2010(2):22-23 致谢词 本人的论文是在我的指导老师汪建春的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，