414733$shnj$蔬菜大棚智能测控系统
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414733$shnj$蔬菜大棚智能测控系统,毕业设计
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蔬菜大棚智能测控 系统 第一章 绪论 1.1 选题 的背景及 研 究意 义 ： 中 国农业 的 发 展必 须 走 现 代化 农业这条 道路， 随 着 国 民 经济 的迅速增 长 ， 农业 的 研 究和 应 用技 术 越 来越受到重 视 ，特 别 是 温 室大棚已 经 成 为 高效 农业 的一 个 重要 组 成部分。 现 代化 农业 生 产 中的重要一 环 就是对农业 生 产环 境的一些重要 参数进 行 检测 和控制。例如：空 气 的 温 度、 湿 度、二 氧 化 碳 含量、土壤的含水量等。在 农业种 植 问题 中， 温 室 环 境 与 生物的生 长 、 发 育、能量交 换 密切相 关 ， 进 行 环 境 测 控是 实现温 室生 产 管理自 动 化、科 学 化的基本保 证 ，通 过对监测数 据的分析， 结 合作 物生 长发 育 规 律，控制 环 境 条 件，使作物 达 到 优质 、高 产 、高效的栽培目的。以蔬菜大棚 为 代表的 现 代 农业设 施在 现 代化 农业 生 产 中 发挥 着巨大的作用。大棚 内 的 温 度、 湿 度 与 二 氧 化 碳 含量等 参数 ，直接 关 系到蔬菜和水果的生 长 。 国 外的 温 室 设施己 经发 展到比 较 完 备 的程度， 并 形成了一定的 标 准，但是价格非常 昂贵 ，缺乏 与 我 国气 候特点相适 应 的测 控 软 件。而 当 今大多 数对 大棚 温 度、 湿 度、二 氧 化 碳 含量的 检测与 控制都采用人工管理， 这样 不可避免的有 测 控精度低、 劳动 强度大及由于 测 控不及 时 等弊端，容易造成不可弥 补 的 损 失， 结 果不但大大增加了成本，浪 费 了人力 资 源， 而且很 难达 到 预 期的效果。因此， 为 了 实现 高 效 农业 生 产 的科 学 化 并 提高 农业研究的准确性，推 动 我 国农业 的 发 展，必 须 大力 发 展 农业设 施 与 相 应 的 农业 工程，科 学 合理地 调节 大棚 内温度、 湿 度以及二 氧 化 碳 的含量，使大棚 内 形成有利于蔬菜、水果生 长 的 环 境，是大棚蔬菜和水果早熟、 优质 、高效益的重要 环节 。 目前， 随 着蔬菜大棚的迅速增多，人 们对 其性能要求也越 来 越高，特 别 是 为 了提高生 产 效率， 对 大棚的自动 化程度要求也越 来 越高。由于 单 片机及各 种电 子器件性价比的迅速提高，使得 这种 要求 变为 可能 . 第 2章 检测电路设计 2.1基于嵌入式 Web 服务器的智能温室监控系统 ： 现代化 的温室监控 系统用来实时采集温室内温度、湿度、光照、土壤温度、 CO2 浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数，根据种植作物的需求提供各种声光报警信息。当温湿度超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备。现有的温室监控系统采用无线方式的居多，且传输范围有限，价格比较昂贵，与其他系统的兼容性不好。本设计提出基于以太网的温室监控系统，使用 Luminary 公司的 LM3S102 处理器，在其有限的内存空间上构建精简的 TCP IP 协议栈，实现通用的嵌入式 Web 服务器，实现基于以太网的智能 温室大棚监控功能。 1 系统设计 ： 系统由传感器子系统、 Web 服务器子系统、外设控制子系统、人机接口子系统 4 个部分组成。基本结构如图 1 所示。 nts 系统工作流程简述如下：通过传感器子系统采集，获得温室中的光照、温度、湿度等关键信息后处理加工，变成可以经 TCP IP 协议传输的以太网数据包。数据传输采用监控终端计 算机主动获取的方式，可以始终获取，也可以在需要的时候获取。监控终端计算机只需具备通用的 IE 浏览器，即可访问嵌入式 Web 服务器的控制界面，查看每一个温室监控节点的数据信息，实现对 大棚电动卷帘机、温室电热器 、 植物生长灯 、 微管喷滴灌 等系统的实时控制。 本文从 4 个部分介绍系统的设计与实现，先从硬件角度构建主要的传感器子系统、 Web服务器子系统、外设控制子系统，然后从软件角度出发，设计实现精简的 TCP IP 协议栈。 1 1 传感器子系统 ： 考虑到 LM3S102 接口有限，传统的模拟传感器需要 A D 转换后方可使用， 不适合本系统。设计选用 I2C 接口的数字传感器 SHT10，该传感器将外界环境的湿度、温度信息采集以后存储在自身内存中，将其挂接在 LM3S102 处理器的 I2C 总线上实现数据的读取。在后续部分可以看到， I2C 总线上还挂接了用来扩展 I O 口的专用芯片。温度与湿度传感器电路如图 2 所示。 nts 图 3 是获取外界光照条件的方案 。设计选用廉价的光电管，当光照强度大时，光电管导通电流大，从而在 VIN_N 端得到更低的电压。 VIN_N 端和 LM3S102 内置的模拟比较器相接，将采集到的数据存于 RAM 中，和 SHT10 采集到的湿度、温度信息一起，由 TCP IP 协议封装发送。 1 2 Web 服务器子系统 ： 为了构建 Web 服务器子系 统，必须找到合适的网络功能实现方法。如图 4 所示，系统选用 SPI 接口的网络芯片 ENC28J60 实现网络 MAC 和 PHY 的功能，充分利用 LM3S102 的外设接nts口。 TPOUT 和 TPIN 端送往隔离变压器，外接通用的 RJ45 网口。后续部分将介绍在此硬件平台上 TCP IP 协议的实现。 1 3 外设控制子系统 ： 为了实 现对温室自动卷帘的远程智能升降控制，设计采用 PWM 控制步进电机的方法。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制非常简单。接口芯片 MPC17529 用来驱动步进电机。在实际运用中，可采用各种方法增大后级电路的驱动能力，以实现对重型卷帘门的自如控制。图 5 为电机控制电路的实现方法。 nts 由于 LM3S102 的 I O 口有限，本设计采用 I2C 接口扩展 I O 口的专用芯片 PCA9554。挂接在 I2C 总线上的该芯片可以扩展出 8 路 GPIO，在演示时采用用 8 盏 LED 灯来表示温室电热器、植物生长灯、微管喷滴灌、气体肥料释放机等温室常用设备。实际应用时加上继电器电路以后便可以方便地实现对温室中诸多科技农业控制系统的实时控 制。电机控制电路如图 6 所示。 nts 经过各子系统的硬件设计， LM3S102 的片上接口与片内资源得到了充分的利用。 1 4 设计实现精简的 TCP IP 协议栈 ： 嵌入式 Web 服务器运行的目标系统大多是各类专用设备，内存资源和存储器资源非常有限，它通常作为一种监控、管理手段去控制和配置各种电子设备，实现设备的智 能化和信息化。嵌入式 Web 服务器的应用系统框架如图 7 所示。 nts 考虑到嵌入式 Web 服务器的硬件处理速度慢并且存储容量相对较小的限制，在 TCP IP协议栈中能够实现 ARP、 IP、 TCP 协议即可。采用精简的 TCP IP 协议栈，在上层实现了 HTTP协议。包括 ENC28J60 网络芯片的驱动和 IP 包与 ARP 包的相 应，实现了基于 TCP 协议的 HTTP包的收发，协议栈省去了作为精简 Web 服务器不需要的 UDP 协议和 ICMP 协议，并且不实现 SOCKET 函数，使得代码空间降到最小，却能够完成所有需要的功能。裁剪后的嵌入式专用 TCP IP 协议栈结构如图 8 所示，软件模块分层工作流程如图 9 所示。 nts nts 第 3 章 温室大棚地热线控制器 ： 在北方的冬、春季节，农户为了增加温室大棚内的地温，促进秧苗、蔬菜的生长，通常采用铺设地热线来辅助增温。 电路工作原理 该温室大棚地热线控制器电路电控制电路、工作状态指示电路和低压照明电路组成，如图所示。 图 温室大棚地热线控制器电路 控制电路由刀开关 Q1、熔断器 FU1、控制按钮 S1、 S2、交流接 触器 KM 和地热线EH 组成。 nts 工作状态指示电路由电源变压器 T1、指示灯 HL1、 H12 和 KM 的控制触点 KM3、 KM4组成 . 低压照明电路由电源变压器 T1、刀开关 Q2、 03、熔断器 FU2、 FU3 和照明灯 EL1EL4 组成。 由于大棚、温室内湿度较大，为安全起见，照明供电采用 36V 安全电压，且除了照明灯 EL1 EL4 和地热线 EH 外，其余部分均安装在大棚、温室以外的专用配电室或休息室、值班室内。 安装时，地热线 EH 应埋在深度为 5 15cm（根据不同作物和播种育苗、成苗栽培等有所不同）的地下。 当地 温较低，需要使用加温装置时，先接通刀开关 Q1，然后按下加温控制按钮 S1，KM 通电吸合， KM 的常开触头 KM1 KM3 接通，常闭触头 KM4 断开，地热线 EH 通电工作； 220V 交流电压经 ”降压后，将工作指示灯 HL1 点亮。松开 S1 后， KM 在 KM2 的作用下维持吸合状态。 需要照明时，可接通 Q2 和 Q3， 220V 交流电压经 T1 降压后，将 EL1 EM 点亮。 不需要加温时，按动停止加温控制按钮 S2，使 KM 释放， KM1 KM3 触头断开， KM4触头接通， HL1 熄灭， HL2 点亮，指示地热线 EH 处于停止加温状态。 元器件选 择 T1 应根据照明灯的总功率进行选择，若使用 4 只 100W、 36V 灯泡，可选用 500W、二次电压为 36V 的电源变压器；若使用 8 只 100W、 36V 灯泡，则应选用 1kW、二次电压为 36V 的电源变压器。 T2 选用 5W、二次电压为 1O 15V 的电源变压器。 地热线 EH 可选用 DV20410（电压为 220V、电流为 2A、线长 100m 时功率为 400W，工作时温度为 45 ）或 DV21012（电压为 220V、电流为 5A、线长 120m 时功率为1000W，工作时温度为 40 ）型专用电热加温线。 KM 选用 CDC10 5 型 220V 交流接触器。 Q1 选用 HK2-30 型刀开关； Q7 和 Q3 选用 HK1-15 型刀开关。 FU1 FU3 应根据负载的功率合理选用 第 4 章 总结和展望 ： 温 室 设 施是 农业 的重要 组 成部分， 温 室大棚 测 控系 统 是 实现温 室生 产 管理自 动 化、科 学 化的基本保证 。通 过对监测数 据的分析， 结 合作物生 长规 律，控制 环 境 条 件，使作物在不适宜生 长 的反季 节 中，可 获nts得比室外生 长 更 优 的 环 境 条 件， 从 而使作物 达 到 优质 、高 产 、高效的栽培目的。 对解放我国农村劳动力，提高劳动
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