【《基于单片机的智能农业控制系统总体方案设计案例》4200字】

基于单片机的智能农业控制系统总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13449基于单片机的智能农业控制系统总体方案设计案例 122141.1温室大棚环境参数要求 1255401.1.1温度 238851.1.2湿度 2113461.1.3光照强度 3143261.2系统整体结构设计 3266861.1.1信息采集和控制模块总体设计 4103641.1.2传输模块 5216131.1.3应用模块 61.1温室大棚环境参数要求农业生产中，蔬菜、瓜果等农作物的种植种类及品质对于满足人民群众生产生活，丰富人们对农产品多样化的需求具有重要意义，作物的生长取决于自身种苗的遗传基因和它的生长环境，这里所指的环境即所处的环境因子，维持作物正常生长所具备的要素。对种质资源进行保护和开发，可以通过杂交、提纯、诱变等途径进行筛选，能较好的提高作物对周围环境的适应性和抗逆性，从而使得在相同环境条件下能农产品获得更多的产量。然而农作物的健康生长除了取决于自身遗传特性之外，还取决于其生长环境，即影响作物产量除种子本身以外，还有对作物健康生长影响的外部环境因子，主要包括光照、温度、湿度和大气等。在露天培育条件下，大风、霜冻、旱涝和高温等恶劣环境难以避免，在作物的不同生长阶段都会对其造成极大影响，导致农作物减产甚至绝收。为了改变农业“靠天吃饭”，人们进行了有效的探索，温室大棚应运而生。温室大棚在一定的封闭空间内，可对局部的环境条件可以通过一系列的设备对生长环境因子进行调控，使其保持在适宜水平，创造有利于作物生长的环境，从而有效提高作物数量和质量。温室大棚生产过程中需要调控的环境因子主要还是温度、湿度及光照强度等。1.1.1温度温度是温室大棚环境因子里最关键的，作物只有在一定的温度范围内才能够生长，它的光合作用过程和呼吸作用过程都与其生长环境温度息息相关。所有作物都有对应的最高、最适和最低温度“三基点”要求，即温度上限、温度下限和最适温度，在最高温度和最低温度时，作物生长发育停止，高于耐受的最高和最低温度时，作物就会受到伤害甚至致死，只有在最适温下，作物的生长速度最快，长势也最为良好，产出率最高。作物在不同生理过程中对温度的要求也不同，例如，光合作用要求的最适温度范围为20~25℃，呼吸作用要求的最适温度范围为36~40℃，根据该生理特点，不同作物及同一作物的不同生长发育阶段都有不同的最佳温度。此外，一般作物生长还需要保持一定的昼夜温差，白天温度较高，有利于光合速率的提升，为作物生长提供更多的营养物质，晚上温度较低，能减少呼吸作用对物质的消耗。智能变温管理模式可将一天分为若干个时间段，每个时间段内将温度维持在作物适宜的水平上，有利于作物茁壮成长，因此温室大棚温度调控非常关键，需要我们对所栽培作物在不同生育时期的最适温度科学把握，并依此制定科学的温度管理模式。温度的调控主要包括加温、降温和保温。加温主要通过热水采暖、热风采暖或电热采暖等方式，热水采暖正常使用锅炉、管道、水泵、散热片等设备，热风采暖通过热风机或热风炉实现，电热采暖使用电热管（丝）将电能转化为热能，再通过传导、对流、辐射等方式改变环境温度，采用何种加温方式需要依据温室类型和用途决定。温室大棚主要通过通风、遮阳和水分蒸发的方式来降低内部温度，其中，通风操作简便，可通过开启通风口的自然通风和开启通风风机的负压通风来实现，遮阳过程通过开启内遮阳网和外遮阳网遮阳面积大小来调节，水分蒸发降温可通过开启湿帘水泵或喷雾设备实现。保温是维持大棚室内温度相对稳定，保温性能取决于大棚的材料和密封程度。需要注意的是温度和湿度之间具有强烈的耦合关系，加温和降温都会影响到室内湿度变化，制定控制策略时需要考虑它们之间的相互影响，使温度和湿度保持在合理水平。1.1.2湿度水分是作物生长发育所需的极其重要的环境因子，作物光合作用、呼吸作用和蒸腾作用等生理过程都离不开水，没有水一切生育进程都无法进行。作物含水量一般为60%~80%，空气湿度和土壤湿度共同决定温室大棚内部空气的水分含量。湿度过大易引起病害和根部活力减弱，湿度过小会导致作物萎蔫。不同作物在不同生长时期对水分的要求不同，空气湿度和土壤湿度的调控应根据作物种类和生长阶段的不同而进行。温室大棚本身是一个密闭的小气候，空气湿度一般处于较高的水平，所以空气湿度的调节一般以降湿为主。温室大棚通风是降低空气湿度最简单有效的方式，一定是开户背风侧的通风口，好处是不会使棚内温度瞬间落差较大，此外，也可通过除湿器降湿、吸湿材料吸附空气中过多的水分等途径和方式。土壤湿度的调节主要依靠滴灌和喷灌等先进的灌溉技术精确调节所需要的灌溉量，当然要依据土壤的类型而定。1.1.3光照强度光照强度对作物光合作用具有重要影响。光照强度和光合作用强度在一定的条件下呈正比例关系，光合作用积累有机物的速率随着光照强度的增大而增加，但光照强度超过临界值“光饱和点”后，该速率将不再加快而是保持在一定水平，主要是植物叶片表面的气孔会关闭，减少了二氧化碳与叶绿素的接触机会。当光照强度降低到某一水平后，光合作用产生的新物质少，作物的生长发育就受到限制，需要通过人工补光操作提高光照强度，该水平上的光照强度称为“光补偿点”。同种植物的光饱和点和光补偿点也不是固定不变的，当二氧化碳浓度增高或温度降低时，光的补偿点会下降；当二氧化碳浓度下降时，光饱和点则会升高。光照强度过低或过高都不利于作物生长。在生产过程中，我们可以通过补光操作和遮光操作对光照强度进行调节，前者主要利用人工光源在自然光不足的情况下提高室内光照强度或在光照时间不足情况下延长光照时间，后者利用遮阳网等措施减小室内光照强度，以免作物长时间处于强光和高温的条件下。1.2系统整体结构设计深入分析温室大棚内部主要环境因子——温度、湿度和光照强度，采用物联网技术，制定系统的总体控制方案，确定了控制系统的3层体系架构，实现温室大棚内空气温湿度的全面感知、传输和智能控制。基于STM32的智能农业控制系统由感知层、传输层和应用层三部分组成，控制系统结构框图如下图2-1所示。感知层由信息采集模块和控制模块组合而成。利用温室大棚内布置的温度传感器、湿度传感器和光照度传感器采集温湿度和光照强度的信息，以此作为温室大棚内环境调节的依据。传输层设备将感知层的各种设备连接到农业引擎，是整个物联网的神经中枢，负责感知层获取的信息处理并传递到应用层，保证所传信息的可靠性和及时性，同时传输层还负责传递控制温室设备的指令到感知层的控制模块。传输层可以支持广泛的连接接入，方便各种终端接入。应用层由浏览器、电脑客户端和手机APP等各种应用服务器组合而成，其作用是对感知层采集到的数据信息进行处理融合，同时在数据库存储，是物联网和用户的接口。图2-1控制系统整体结构框图1.1.1信息采集和控制模块总体设计信息采集模块和控制模块如下图2-2所示。使用温湿度传感器、控制设备和通信网络，实时监控采集温室大棚中的环境因子数据，传感器设备可通过RS485总线连接网关，再通过网关将其连接到物联网平台，实现在云端展示和管理数据。信息采集模块的主要功能是对温室大棚内的环境信息，即温度、湿度和光照强度进行全面感知并实时采集，以此作为温室大棚自动控制和智能决策的依据。控制模块可以实现两方面的功能，一方面是从信息采集模块获取环境因子的实时数据，将获得的数据传输至计算机，另一方面负责接收计算机发出的温室设备控制指令，控制温室设备运行，对温室大棚内的环境进行调节。图2-2信息采集和控制模块信息采集模块可实时采集温室大棚内对农作物生长影响显著的温度、湿度和光照强度3种环境因子。环境参数信息和设备状态信息的获取有多种途径，可以选择直接利用温室大棚内的现场控制系统的触摸屏直接显示，可以传输到集控系统的监控管理平台上获取，也可以通过网络浏览器和手机APP在线查询。温室设备控制模块的控制方式如下图2-3所示，有两种控制方式，分别是手动控制和自动控制。手动控制方式又可以采用两种不同的方法，一种手动控制方式可以脱离现场控制器，直接通过手动按钮控制设备启停，另一种则是以现场控制为基础，通过如触摸屏、集控管理平台、手机APP和远程浏览器等多种方式进行的手动控制[]。自动控制利用阈值设定的方式，以温度、湿度、光照强度等多种环境因子的采集数据为基础，在集控计算机中实现。通过多种控制方式的协同工作，将温室大棚环境保持在适宜水平。图2-3温室设备控制方式1.1.2传输模块传输模块如图2-3所示，设计采用嵌入式ZigBee无线通信技术，可以实现计算机与信息采集和控制模块以及客户端之间的通信。图2-3传输模块框架图通信方式按种类可以分为有线通信和无线通信两种。有线通信相较于无线通信而言数据传输速率高、传输过程稳定可靠，但如果要在拥有较多数目的监测点、广泛分布并且地形不平坦的环境中传输数据，有线通信的成本会大幅提高，前期的施工难度和后期的设备维护工作量两方面也大大提高，因此根据温室大棚这一应用背景，采用无线通信方式更加合理。无线通信主要有无线局域网和广域网两种通信方式。目前，无线局域网技术通常采用Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi和IrDA四种，分别比较如表2-1所示。表2-1短距离无线通信技术对比技术类型网络节点通信距离/m传输速率/Mbps功耗/mA成本Bluetooth8<101~230mA高ZigBee<6553550~200<0.25几十毫安较低Wi-Fi32<100<11约1W很高IrDA21~2<16约10mA很低由此表可知，ZigBee在短距离无线通信技术中最有优势，它的性能表现为自建能力高、很强的存储能力、能源消耗少以及使用周期长，同时ZigBee的开发成本也相对较低。虽然传输速率与其他短距离无线通信技术相比较不占太大优势，可是当环境中通行量相对少时，ZigBee无线通信传输几乎能做到不受干扰。因此，相较于蓝牙等其他无线传输技术而言，Zigbee无线通信技术短距离、低功耗、低速率的特点，能够很好地应用于消费类电子、家庭、智能建筑等场合中。实际智能农业控制系统的数据传对于数据传输速率和传输距离的要求并不高，可以优先采用Zigbee无线通信技术。1.1.3应用模块应用模块的主要功能是对获取的温室大棚的各种信息进行处理，获取准确可靠的农作物生长环境信息，作为温室大棚控制模块的自动控制和运行的决策依据，应用模块的数据处理过程如图2-4所示。图2-4数据信息处理过程计算机在收到传输层传输的信息后