蔬菜大棚溫室農業無線監控系統的設計-藏刊網

0 引言

近年來,我國農業信息化技術的快速發展為精準農業的推廣與實施奠定了基礎,而物聯網技術的應用與發展為農業生產環境信息的獲取與調控提供了有力的工具與可靠的保證."感知農業"通過在溫室內部署的傳感器及無線采集、控制節點,將傳感器采集到的實時環境信息發送到傳感節點,然后通過有線或無線方式傳輸到上位機進行解析處理,并給予相應的調控,控制通風、灌溉、施肥等方式以改善農作物的生長環境[1].

目前,智能溫室工程作為農業現代化的一個重要組成部分,對我國農業的發展具有重要的意義,已經成為我國科技人員研究的重要課題[2].隨著人們生活水平的提高,溫室蔬菜種植的規模在我國發展十分迅速,成為城市居民菜籃的主要途徑,也是農戶增產創收的捷徑之一.然而,溫室大棚普遍存在著自動化水平較低、人力消耗大以及水肥資源浪費嚴重等諸多問題.

為此,設計了一種溫室農業無線監控系統.該系統采用 ALIENTEK STM32 作為主控制器,布置在大棚內部的傳感器可實時檢測室內溫度、濕度、光照強度,同時單片機還將通過光敏傳感器檢測室外光照強度以控制大棚外卷簾機卷起或放下保溫層.同時,該系統中加入了上位機控制系統,用戶足不出戶就能監視并控制大棚內部的情況,一定程度實現了農業生產的自動化,使農作物始終生長在適宜的環境中,解放了人力,節約了資源,提高了經濟效益.

1 系統總體方案設計

系統主要由 4 個部分組成,分別是上位機軟件、主控制板、大棚控制板和大棚采集板,如圖 1 所示.

1. 1 主控制板

主控制板主要由 ALIENTEK STM32 板、無線通信模塊及 USB 串行端口模塊組成,如圖 2 所示.主控制板負責對兩個大棚傳遞上來的信息進行處理,打包之后發送給上位機,同時還負責將上位機下達的指令傳遞給兩個溫室大棚.

1. 2 大棚控制板

大棚控制板主要由 STC89C55 單片機、12864LCD顯示、光耦、繼電器,以及無線通信模塊組成,如圖 3所示.大棚控制板負責控制大棚內部裝置以及轉發大棚采集板采集上來的數據,一旦收到主控制板發送的信號,大棚控制板將對相應的裝置進行控制.

1. 3 采集板

大棚采集板主要由 STC89C55 單片機、空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、無線通信模塊和供電電源構成,如圖 4 所示.大棚采集板負責采集溫室內各個部分數據,之后通過無線傳送給控制板.

2 智能農業無線監控系統軟件設計

2. 1 上位機軟件設計

上位機使用 VB 語言編寫.上位機界面通過串口模塊與主控制板進行通信,以獲取兩個大棚內部的環境數據和對大棚內部設施進行控制,同時上位機軟件還可以將接收到的環境數據保存到電腦數據庫中,以便日后的查詢,如圖 5 所示.

2. 2 主控制板程序設計原理

主控制板在 Keil4MDK 環境下開發,在程序中使用了庫函數版本,使得開發思路更加的流暢,如圖 6所示.當主控制板接收到大棚控制板發送上來的信號時,首先通過讀取無線模塊內部寄存器的值判斷是哪個大棚發送上來的信號.

由于在無線通信模塊中,不同模塊之間是由通道地址來進行區分的,所以要通過不同的接收通道地址來實現多通道接收,當接收到大棚控制板發送上來的數據時,主控制板讀取無線模塊中的通道標志位來判斷是哪個大棚發送的數據.同理,當主控制板收到上位機發送下來的控制信號時,也先判斷是控制哪個大棚的信號,然后加載不同的發送地址,再發送給指定大棚.

大棚控制板和大棚采集板也是在 Keil 開發環境下使用 C 語言進行編程的.大棚采集板的程序比較簡單,只有重復采集傳感器參數和將數據發送出去這兩項工作.

在大棚控制板的程序中,包括液晶顯示、按鍵掃描、繼電器控制、數據接收以及數據發送.大棚控制面板將采集板傳送過來的數據信號,通過無線傳送到主控制器中,同時還接收主控制器發送下來的控制信號.

2. 3 無線通信模塊

無線數據通信不用布線,快速布局,因此具有有線數據通信無法比擬的便捷性[3],在特殊場合具有不可替代性.然而,傳統的由基本射頻集成電路搭建的無線數據通信系統存在電路復雜、成本高、傳輸速率低及可靠性差等缺點.為此,Nordic 公司推出一款工業級內置硬件鏈路層協議的低成本單芯片 NRF24L01型無線收發器件.該器件采用 GFSK 調制、128 個頻點自動跳頻. 片內自動生成報頭和 CRC 校驗碼,具有出錯自動重發功能.這些特性使由 NRF24L01 構建的無線數據傳輸系統具有成本低、速率高、傳輸可靠等優點[4].軟件驅動主要由以下幾個函數組成:
u8 NF24L_Write_Ｒg\\( u8 reg，u8 value\\) ;
u8 NF24L_Ｒead_Ｒg
\\(u8 reg\\);
u8 NF24L_Ｒead_Bufer
\\(
u8 reg
，
u8 * pBuf
，
u8 len
\\);
u8 NF24L_Write_Buf\\( u8 reg，u8 * pBuf，u8 len\\);
u8 NF24L_TxPacket
\\(
u8 * txbuf
\\);
u8 NF24L_ＲxPacket
\\(
u8 * rxbuf
\\);

2. 4 串口通信模塊

由于 STM32 處理器輸出的是 TTL/CMOS 電平,而計算機的標準配置串口輸出為 RS - 232 電平,所以在硬件上采用 MAX232 進行電平轉換.在軟件上實現基于 STM32 的串口通信,首先需要對該串口的相關寄存器進行配置,比如串口的波特率、數據位長度和校驗位等信息都是需要配置的;然后串口時鐘,設置相應的 I/O 模式,最后進行程序設計[5].

主程序具體步驟:

①配置串口中斷向量表,包括配置中斷的搶占優先級、響應優先級、編號和分組等內容;②初始化串口,包括串口時鐘配置 GPIO 配置根據參數初始化并使能串口.

其部分代碼如下:
void COMInit\\( u32 BaudＲate\\)
{
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． / / GPIO 配置
GPIO_Init
\\(
GPIOD
，
＆GPIO _ InitStructure
\\);
/ / 初始
化端口
USAＲT_InitStructure． USAＲT_BaudＲate =
BaudＲate
;
/ / 波特率設置
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． / / 串口配置
USAＲT_Init
\\(
USAＲT3
，
＆USAＲT_InitStructure
\\);
/ / 初始化串口 3
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． / / 中斷配置
}

2. 5 溫濕度傳感器模塊

DHT11 數字溫濕度傳感器,是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器.測量范圍相對濕度 20% ~90% RH,攝氏溫度 0 ~50℃.傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件[6 - 7].程序如下:
/ / －－－－－溫濕度讀取子程序－－－－－－－－－－－－
void ＲH_founction\\( \\)
{
DQ\\(0\\);
Delay\\(180\\); / / 主機拉低 18ms
DQ\\(1\\); / / 總線由上拉電阻拉高主機延時 20us
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
if\\( ＲeadInputDataBit\\( GPIOA，GPIO_Pin_15\\) \\) / / 判斷從
機是否有低電平響應信號如不響應則跳出
{
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
temp =
\\(
TH _ temp + TL _ temp + ＲH _ temp + ＲL _
temp\\) ; / / 數據校驗
if
\\(
temp = = check_temp
\\)
{
ＲH = ＲH_temp
;
ＲL = ＲL_temp;
TH = TH_temp
;
TL = TL_temp;
check = check_temp
;
}
}
}