基于無線傳感技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛潭　張勇杰　李玏一　周幫平　呂壘平

【摘 要】介紹了一種基于無線傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的自動(dòng)化控制，對(duì)大棚環(huán)境中的各種信息進(jìn)行采集。設(shè)計(jì)了基于ARM的主控模塊、信號(hào)處理模塊、電源模塊、LCD模塊、無線通信模塊等硬件平臺(tái)。開發(fā)了節(jié)點(diǎn)設(shè)備程序、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件和上位機(jī)組態(tài)軟件。系統(tǒng)通過模擬測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)時(shí)性，可滿足農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)要求。

【關(guān)鍵詞】無線傳感；ARM處理器；組態(tài)監(jiān)控軟件；農(nóng)業(yè)大棚；嵌入式系統(tǒng)

【Abstract】A data collection and control system solutions based on wireless sensor technology was proposed， to achieve automatic control of agricultural greenhouses and a variety of information gathering greenhouse environment. The hardware platform of terminal control system was designed， including central control unit， signal processing module， power modules， LCD modules， and wireless communication module. A node device， embedded system application software and PC configuration software was developed. Through the simulation test results verified the real-time performance and reliability of the system design， in order to satisfy the requirement of the construction of agricultural information.

【Key words】Wireless sensor； ARM processor； Configuration and monitoring software； Agricultural greenhouses； Embedded systems

0 引言

我國(guó)各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、環(huán)境條件差異較大，存在農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化生產(chǎn)能力落后、土地利用程度不高等方面的問題，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)發(fā)展水平落后。同時(shí)，我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境狀況逐步擴(kuò)大惡化范圍、資源配置不合理。鑒于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中嚴(yán)重浪費(fèi)資源和破壞生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象，人們?cè)絹碓疥P(guān)注農(nóng)業(yè)發(fā)展的模式。隨著時(shí)代發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技技術(shù)不斷創(chuàng)新，充分利用理論和科學(xué)技術(shù)，是緩解農(nóng)業(yè)與資源及生態(tài)環(huán)境矛盾的有效途徑。建立無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全面監(jiān)管和精準(zhǔn)調(diào)控，可以組建農(nóng)業(yè)的規(guī)范化和網(wǎng)絡(luò)化管理模式，形成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的綜合信息管理系統(tǒng)[1]。促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，不但可改善生態(tài)環(huán)境，而且各類農(nóng)業(yè)資源可以得到有效利用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。本文主要根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)的要求，設(shè)計(jì)一種結(jié)合嵌入式單片機(jī)和組態(tài)監(jiān)控軟件兩種工程裝備技術(shù)的平臺(tái)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚影響的幾個(gè)因素進(jìn)行精準(zhǔn)管理和統(tǒng)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，主要包括一個(gè)主控模塊、信號(hào)處理模塊、電源模塊、LCD模塊、無線通信模塊等。

1.1 主控模塊

嵌入式控制系統(tǒng)選用的主控芯片為16位ARM Cortex-M3處理器STM32F103RET6。引腳為64位、內(nèi)存容量512KB，封裝類型為L(zhǎng)QFP，工作溫度達(dá)到-45℃～80℃。

1.2 信號(hào)處理模塊

傳感器輸出4mA-20mA電流信號(hào)，I/V轉(zhuǎn)換過程采用精密電流環(huán)接收方式，選用RCV420芯片，轉(zhuǎn)換成0-5V電壓輸出信號(hào)。D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片選用AD421，實(shí)現(xiàn)16位的數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬4mA～20mA的電流輸出信號(hào)。電磁閥由于是線圈組成，在通斷過程中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，為防止斷電后對(duì)電路構(gòu)成沖擊破壞，增加一個(gè)反向二極管IN4001，構(gòu)成回路，防止對(duì)電路電壓產(chǎn)生干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

溫室大棚中的蔬菜，需要一定強(qiáng)度的光照促進(jìn)光合作用，提高產(chǎn)量。在大棚中適當(dāng)增強(qiáng)光照能促進(jìn)其生長(zhǎng)。根據(jù)選用光照燈的型號(hào)和電壓要求，設(shè)計(jì)最大電流為1A的PWM控制電路。選用具有PWM脈寬調(diào)光功能的SD42511芯片，設(shè)計(jì)最大輸出1A的驅(qū)動(dòng)電流電路。電路原理圖如圖2所示：

1.3 電源模塊

STM32處理器內(nèi)部具有多路A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換擴(kuò)展功能，其輸入電壓轉(zhuǎn)換信號(hào)范圍為0～3.3V，使用12V鋰電池供電電源，要實(shí)現(xiàn)對(duì)它的電壓監(jiān)控，需要采用間接方式，使用高精度的電阻串聯(lián)分壓方法。選用MC34063芯片采用開關(guān)反壓電路提供-12V電壓給RCV420。選用封裝為SOT-223的LM1117系列芯片，轉(zhuǎn)換得到5V和3.3 V電壓。放在芯片的輸出端置一個(gè)10uF的鉭電容，改善電路中的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。旁路中增加0.1uF的瓷片電容，去耦消弱電路毛刺。電路原理圖如圖3圖4所示：

1.4 LCD模塊

LCD顯示采用1602顯示輸出數(shù)據(jù)，采用基于HD44780字符型液晶芯片。電路原理圖如圖5所示：

1.5 無線通信模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)選用為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立的短距離ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，ZigBee無線短距離傳輸模塊具有低功耗、操作靈活、等電位測(cè)量數(shù)據(jù)無線傳輸、組網(wǎng)方便、響應(yīng)速度快等突出特點(diǎn)[2]，適合應(yīng)用在農(nóng)業(yè)大棚的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee射頻技術(shù)利用2.4G頻段來進(jìn)行傳遞數(shù)據(jù)信息，安全可靠的實(shí)現(xiàn)終端發(fā)送或響應(yīng)指令。采用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2530無線射頻收發(fā)模塊，使用免申請(qǐng)2.4G的頻段，采用加密的標(biāo)準(zhǔn)為AES 128，直接序列擴(kuò)頻。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括節(jié)點(diǎn)設(shè)備程序、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件和上位機(jī)組態(tài)軟件。節(jié)點(diǎn)設(shè)備主要完成系統(tǒng)中的執(zhí)行命令和數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)淖饔?。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)通信、人機(jī)交互、自動(dòng)控制等功能。上位機(jī)組態(tài)軟件主要實(shí)現(xiàn)用戶登錄、數(shù)據(jù)查詢、圖像展示、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息處理流程如圖6所示。節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用的操作系統(tǒng)為μC/OS-II，監(jiān)控組態(tài)軟件開發(fā)使用組態(tài)王Kingview6.55[3-7]，核心板STM32F103RET6處理器編程軟件采用KeiluVision4。

3 系統(tǒng)調(diào)試

為實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)，利用在線仿真調(diào)試工具，對(duì)系統(tǒng)各子功能分別進(jìn)行調(diào)試，監(jiān)測(cè)軟件工程中的關(guān)鍵變量值。上位機(jī)組態(tài)軟件通過和節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集數(shù)據(jù)通信應(yīng)用驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。軟件運(yùn)行截圖如圖7所示：

4 結(jié)論

基于無線傳感技術(shù)開發(fā)了農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集和信息傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)控終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有效的對(duì)資源進(jìn)行管理和統(tǒng)計(jì)分析。通過上位機(jī)KingView組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)中的終端設(shè)備監(jiān)控，可以有效的掌握現(xiàn)場(chǎng)的信息；通過嵌入式硬件設(shè)備、工作臺(tái)和上位機(jī)KingView組態(tài)軟件的聯(lián)合測(cè)試實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)具有低功耗，信息傳輸穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚信息化建設(shè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]