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智慧農業(yè)溫室環(huán)境控制儀表的設計
2014年微型機與應用第18期
劉會敏,于 洋
沈陽理工大學 信息科學與工程學院,遼寧 沈陽 110159
摘要: 針對智慧農業(yè)溫室環(huán)境參數采集與控制的自動化程度低的問題,設計了基于ZigBee標準的溫室環(huán)境控制儀表。該儀表以單片機為控制中心,CC2420射頻芯片作為無線傳輸模塊,實現了溫室環(huán)境參數的自動調控功能。重點介紹了儀表的總體方案、硬件電路和軟件設計,并做了實驗測試。實驗結果表明,該儀表能夠實時地進行溫室環(huán)境的檢測和控制,且具有低成本、高可靠性等特性。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 針對智慧農業(yè)溫室環(huán)境參數采集與控制的自動化程度低的問題,設計了基于ZigBee標準的溫室環(huán)境控制儀表。該儀表以單片機為控制中心,CC2420射頻芯片作為無線傳輸模塊,實現了溫室環(huán)境參數的自動調控功能。重點介紹了儀表的總體方案、硬件電路和軟件設計,并做了實驗測試。實驗結果表明,該儀表能夠實時地進行溫室環(huán)境的檢測和控制,且具有低成本、高可靠性等特性。

  關鍵詞: 智慧農業(yè);溫室;控制儀表;ZigBee;單片機

0引言

  智慧農業(yè)是指集成應用計算機與網絡技術、物聯網技術、音視頻技術、3S技術、無線通信技術及專家智慧與知識,實現農業(yè)可視化遠程診斷、遠程控制、災變預警等智能管理[1]。發(fā)展智慧農業(yè),可以有效提高作物產量,節(jié)省時間和資源,最大限度地減少不必要的人力、財力。

  要實現高水平的溫室生產,溫室生物環(huán)境調控是關鍵。本文設計的基于ZigBee標準的溫室環(huán)境控制儀表[2],不僅能實時地實現溫室環(huán)境參數采集,還能有效地實現溫室環(huán)境的自動調控、儀表的無線傳輸功能,為智慧農業(yè)的實施奠定了基礎。

1 儀表總體方案設計

  溫室環(huán)境的主要控制對象為溫室內的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照度,執(zhí)行機構有加熱系統、噴淋系統、排風扇、CO2發(fā)生系統、補光系統、遮陽網。溫室環(huán)境控制儀的總體結構框圖如圖1所示。

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  控制中心采用SM79108單片機,由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器等完成對溫室環(huán)境參數的采集,并根據內置算法進行數據處理、輸出控制等。溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器作為一組傳感器,一個控制器最多可以帶32組,依據溫室的規(guī)模、結構等因素決定一個溫室內安放多少組傳感器。

2 儀表硬件電路設計

  儀表的硬件設計主要分為單片機鍵盤顯示及存儲電路、傳感器接口電路設計、無線通信電路設計和執(zhí)行機構驅動電路設計四大部分。

  2.1 單片機鍵盤顯示及存儲電路設計

  儀表的處理器采用低價格、低功耗、具有精簡指令的8位SM79108單片機,3.3/5 V工作電壓。它內含8 KB的閃存和256 B的片內RAM,內置4通道8位ADC轉換,并帶有看門狗定時器,能夠實現全雙工串行通信,兼容51系列單片機。SM79108的液晶顯示、鍵盤電路和外部存儲器電路設計如圖2所示。

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  鍵盤電路采用獨立鍵盤的方式,用于實現參數閾值的預設和執(zhí)行機構的手動控制。顯示電路采用內置ST7920P驅動的128×64點陣型液晶顯示屏OCM12864-9,用于顯示系統采集到的當前溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等參數。外部存儲器采用4 KB的E2PROM存儲芯片25C040,通過SPI接口與單片機相連,用于系統掉電保護。

  2.2 傳感器接口電路設計

  空氣溫度、濕度的采集選用溫濕度一體的傳感器SHT10,它可對溫度及相對濕度值進行全校準,且具有數字輸出接口。技術指標:工作電壓:2.4 V~5.5 V;溫度測量范圍:-40℃~+123.8℃,精度:±0.5℃;濕度測量范圍:0~100%RH,精度:±4.5%RH。

  CO2濃度的采集選用紅外二氧化碳傳感器B-530,它利用單波非色散紅外原理(NDIR)對空氣中的CO2進行檢測。技術指標:測量范圍為0~10 000 ppm,檢測精度為±5%,使用壽命長達10年。

  SHT10、B-530均通過I2C串行接口與單片機連接,接口電路如圖3(a)所示。

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  光照度的采集選用TI公司的TSL230B可編程光—頻率轉換器,它將光輻照度信號轉換為相應的脈沖頻率。TSL230B與單片機的連接電路如圖3(b)所示。S0、S1為靈敏度控制端,S2、S3為滿量程選擇端,OUT為頻率信號輸出,進入單片機的捕獲輸入,通過計算兩次捕獲時間內計數器的數值差,計算出輸出頻率,對照TSL230B的頻率-能量關系曲線圖,得到光照強度。

  2.3 無線通信電路設計

  根據安裝和通信距離要求,采用低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信ZigBee技術[3]。通信模塊采用CC2430射頻芯片[4]。

  CC2430只需要極少的外圍元器件,通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式并實現讀/寫緩存數據、讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/接收緩存器。

  2.4 執(zhí)行機構驅動電路設計

  溫室中各執(zhí)行機構的動作均通過繼電器控制。設計中直接由單片機輸出控制信號,經一個反相器,由三極管對電流放大,然后驅動繼電器動作。單個繼電器的驅動電路如圖4所示。

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3 儀表軟件設計

  3.1 控制邏輯設計

  由于空氣溫濕度存在較強的耦合性,溫室環(huán)境的控制將空氣溫度、濕度作為一組控制參數。當空氣溫度與濕度發(fā)生矛盾時,以溫度控制為主,空氣溫濕度的具體控制邏輯如下:

  ①白天模式。當空氣溫度高于白天最高閾值,空氣濕度低于最低閾值時,同時打開排風扇和噴淋系統;當空氣溫度低于白天最低閾值,空氣濕度高于最高閾值時,則開啟加熱系統。

 ?、谝归g模式。只需把空氣溫度控制在露點溫度以上。當空氣溫度高于夜間最高閾值時,關閉加熱系統;當空氣溫度低于夜間最低閾值時,開啟加熱系統。

  CO2濃度、光照度的耦合度很小,采用閾值方法分別進行調控。通過控制CO2發(fā)生系統的開啟和關閉,實現對溫室CO2濃度的調控;通過控制補光系統和遮陽網,實現對溫室光照度的調控。

  3.2 控制程序設計

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  儀表控制程序流程如圖5所示。上電后,首先進行系統初始化,主要包括定時器、I/O端口方向及初值、寄存器的初始化、射頻芯片的初始化等。然后判斷有無按鍵,若無,則判斷是否到達設定的采集時間,當設定的5 min時間到,控制器向各組傳感器依序發(fā)送采集命令,將采集上來的數據存儲到相應的數組中,待采集結束后求各項環(huán)境參數平均值,并存儲、顯示。然后根據內置的閾值控制算法,輸出控制信號,達到調節(jié)溫室環(huán)境的目的。

4 實驗測試

  本控制器在遼寧省某溫室實驗基地進行測試,溫室類型為連棟溫室,種植作物為處于幼苗期的茄子,茄子幼苗期階段生長所需的溫度為22℃~25℃,濕度為65%~75%,CO2濃度一般為500~1 000 ppm,光照度為500~1 000勒克斯(lux)。溫室9個,各溫室內分別部署1個控制器、8組傳感器。給系統上電,進行測試。通電后,各無線設備終端在1 min之內自組網完畢。

  系統上電1 min后開始計時,分別在5 min、25 min和45 min三個不同時間點記錄1號溫室的液晶屏顯示的溫室內溫度值、濕度值、CO2濃度值、光照度值,記錄值如表1所示。

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5 結論

  由測量數據可知,本儀表實現了對溫室環(huán)境的溫度、濕度、CO2濃度和光照度等參數的采集和顯示,并根據預置的控制邏輯進行參數的處理、調控,使作物處于適宜的環(huán)境中生長,且具有響應快、穩(wěn)定、可靠等特性。本儀表可根據需要增減傳感器數目和變更傳感器位置,且調控環(huán)境參數的自動化程度較高,為智慧農業(yè)的實施奠定了硬件基礎。

  參考文獻

  [1] 李道亮.物聯網與智慧農業(yè)[J].農業(yè)工程,2012,2(1):1-7.

  [2] 張侃諭,余玲文.基于S7_224的自動化溫室控制系統設計[J].自動化儀表,2009,30(2):36-38.

  [3] 趙勇,王曙光.溫室環(huán)境無線監(jiān)控系統設計[J].自動化儀表,2012,33(6):53-55.

  [4] 李永成,凌青,吳剛,等.基于ZigBee的溫濕度數據無線采集監(jiān)測系統設計[J].微型機與應用,2012,31(7):61-63.


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