淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校 張兆朋

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校 張兆朋

本文對智能大棚的灌溉系統(tǒng)進行了研究，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚灌溉系統(tǒng)的自動控制，利用各種傳感器采集信息傳送到C8051F340從機，從機通過Can控制器和Can收發(fā)器，傳到總線，總線再通過Can控制器和Can收發(fā)器傳到到主機，將數(shù)據(jù)信息通過以太網(wǎng)輸送到上位機，采集的信息與數(shù)據(jù)庫里的參數(shù)進行比較，實現(xiàn)上位機控制下位機，根據(jù)溫度，濕度等配置控制配置營養(yǎng)液進行自動灌溉。

C8051F340；can；物聯(lián)網(wǎng)；cp2200

物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。我國是農(nóng)業(yè)大國，人口眾多，對糧食蔬菜等農(nóng)作物需求巨大，隨著農(nóng)村大量勞動力流向城市，農(nóng)村勞動力長遠看會出現(xiàn)短缺，而我國農(nóng)業(yè)灌溉中大多還是采用傳統(tǒng)的灌溉方式，不僅耗人力而且水資源也是浪費，傳統(tǒng)的灌溉還有不及時，效率低，灌溉量不精確等問題。本文提出了智能大棚灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，研究了通過傳感器檢測來判定是否灌溉，灌溉是否完成，充分考慮關(guān)照，溫濕度等對需求量的影響，并考慮到不同季節(jié)不同作物需水量的不同，通過水位監(jiān)測判定是否灌溉完成，通過vc界面選擇不同季節(jié)，不同作物，通過傳感器檢測到的環(huán)境參數(shù)與上位機數(shù)據(jù)庫中的標準參數(shù)比較，判定是否要進行灌溉，灌溉量是多少，由上位機傳達命令到下位機控制執(zhí)行機構(gòu)工作，進行澆水灌溉，達到最佳的灌溉效果。

1.總體設(shè)計

1.1 總體框圖

如圖1所示，由C8051F340構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，傳感器采集的信息輸入到這些從機，從機通過can總線傳遞給主機C8051F340，主控機匯總消息，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)然后傳到上位機電腦，采集的數(shù)據(jù)信息與上位機中數(shù)據(jù)庫內(nèi)的標準參數(shù)比較，分析，優(yōu)化，最后上位機發(fā)出控制命令控制下位機工作。

1.2 下位機框圖

下位機(如圖2)由C8051F340單片機和采集裝置、執(zhí)行機構(gòu)組成。其中C8051F340單片機是核心，起控制作用；采集裝置由一些傳感器構(gòu)成。灌溉時要考慮光照，空氣溫濕度故檢測裝置有光照傳感器和溫濕度傳感器，灌溉是否完成需要水位監(jiān)測；執(zhí)行機構(gòu)有通風(fēng)裝置，灌溉裝置和加溫裝置，在灌溉時需要通風(fēng)，而冬天東風(fēng)溫室大棚內(nèi)溫度會低，故要進行加熱升溫，當需要灌溉時，單片機從機接收指令，控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)灌溉。

2.硬件設(shè)計

C8051F340是美國Silabs公司生產(chǎn)的與標準8051兼容的高速單片機，它具有速度高，功耗低，有豐富的外圍設(shè)備，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制所常用的模擬部件、其他數(shù)字外設(shè)和功能部件，是完全集成的混合信號系統(tǒng)及芯片。

2.1 傳感器與單片機的連接

圖1 總體框圖

圖2 下位機框圖

圖3 單片機與SHT11連接圖

圖4 CAN通信

圖5 CP2200與C8051F340的鏈接

如圖3，溫濕度傳感器選用SHT11，這是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度等，分辨率高。光傳感器選用TSC2561，它是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程的光強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，可直接通過I2C總線協(xié)議，由MCU訪問。

SHT11的供電電壓范圍為2.4-5.5V，建議供電電壓為3.3V。在電源引腳(VDD，GND)之間須加一個100nF的電容，用以去耦濾波。

2.2 Can總線

CAN屬于現(xiàn)場總線，能有效的支持分布式實時控制，主機向從機1發(fā)布命令時，其他從機可接受命令，但不需要作出反應(yīng)，只有從機1接受命令并作出反應(yīng)，在CAN總線通信中，控制器采用PHILIPS公司的SJA1000和收發(fā)器選用82C250芯片。為了增強抗干擾能力，選用了高速光電耦合器6N137。單片機對SJA1000進行初始化，通過控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。采用雙絞線進行連接。SJA1000的AD0-AD7連接到單片機的8個I/O接口，對應(yīng)的引腳相連，單片機可對SJA1000執(zhí)行讀寫操作，可通過中斷方式訪問SJA1000，如圖4。

2.3 以太網(wǎng)控制器與單片機連接

如圖5，CP2200是集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)、10Base-T物理層(PHY)和8KB非易失性FLASH存儲器的單芯片以太網(wǎng)控制器；可以為具有11個以上端口I/O引腳的任何微控制器或主處理器增加以太網(wǎng)通信功能；8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋址；是目前體積最小的單芯片以太網(wǎng)控制器。

將地址總線端口A0～A7接F340的管腳P2.0～P2.7，數(shù)據(jù)總線端口D0～D7接P4.0～P4.7，F(xiàn)340通過這兩條總線對CP2200進行尋址和數(shù)據(jù)收發(fā)。INT和CS和分別接F340的管腳P3.6和P3.7；單片機通過管腳P3.6控制CP2200，CP2200通過P3.7向單片機發(fā)出中斷申請。

2.4 執(zhí)行機構(gòu)

電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，負責(zé)通風(fēng)，灌溉，加熱，執(zhí)行機構(gòu)均由繼電器間接控制。所用電機為步進電機，方便控制器控制速度，電磁閥采用220V交流的，型號：2W-160-15，型式：常閉式(即：通電打開，斷電關(guān)閉；）。

2.5 注意事項

(1)電磁閥遠離控制器，需通過繼電器間接控制，另外要加入電阻電容緩沖，防止影響控制其正常工作。

(2)電源采用開關(guān)電源，接通220交流電，輸出12V6A直流電，電流電壓都要注意，電流過小會造成開關(guān)冒火花但電動機不工作。

(3)C8051F340與繼電器之間加反相器，控制電動機，防止啟動時燒壞電源。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 上位機設(shè)計

界面采用vc編程，參數(shù)放置采用數(shù)據(jù)庫，不同季節(jié)灌溉量不同，不同季節(jié)具體灌溉量在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置好，比如夏季要增加灌溉量，冬季要減少灌溉量，在界面中可用鼠標點擊按鈕選擇季節(jié)。同樣不同的作物也是。光照不同，空氣溫濕度不同，灌溉量也不同，具體的標準參數(shù)設(shè)置在數(shù)據(jù)庫中，檢測到的信息與標準參數(shù)進行比較。

主機通過無線傳輸接受從機發(fā)來的信息，然后通過無線傳輸裝置發(fā)送到上位機PC，上位機專家系統(tǒng)中有不同作物（西紅柿、茄子、辣椒、西瓜等）的標準參數(shù)（不同的作物在不同的季節(jié)所需要的光照，溫度，水分不同，白天晚上溫差大時所需要的光照也不同），標準參數(shù)與采集的信息比較后發(fā)出命令，主機接收上位機的指令，傳給從機節(jié)點。

上位機控制下位機關(guān)鍵是協(xié)議，協(xié)議要一致，比如在上位機中設(shè)置ComPort.Settings="4800,n,8,1"那么下位機程序中要對應(yīng)，可以這樣寫程序：

TH1=0xF3；//定時器初值高8位設(shè)置//12MHZ晶振，波特率為4800

3.2 CAN通信軟件設(shè)計

(1)SJA1000的初始化子程序：初始化包括工作方式的設(shè)置、接受濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置等。

(2)發(fā)送子程序：發(fā)送時將等待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合幀報文，送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)，啟動SJA1000發(fā)送即可。

(3)接收子程序：處理接收報文的過程中，同時要對諸如總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。

4.結(jié)束語

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的專家系統(tǒng)，利用C8051F340單片機與can總線以及以太網(wǎng)控制器進行設(shè)計，利用傳感器檢測環(huán)境參數(shù)，通過與標準參數(shù)比較做出判斷，溫濕度不同，光照不同時，電腦自動設(shè)置不同的灌溉量，有利于精確灌溉，節(jié)約用水，有利于植物的生長，節(jié)約了人力資源。

[1]戴春霞,趙德安.基于ARM9內(nèi)核的智能灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(15):8208-8210.

[2]張麗紅,孫磊,倫翠芬,王慶祝.基于CAN總線的連棟溫室節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究,2011,6(6):168-170.

[3]馮顯英,葛榮雨.基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測控系統(tǒng)[J].自動化儀表儀表,2006,27(1):59-61.

[4]陳姣姣.基于C8051 F340嵌入式以太網(wǎng)控制器的設(shè)計[J].科技資訊,2011,25:21.

[5]祝曉東.基于CAN總線的溫室控制系統(tǒng)智能節(jié)點的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2007,5(5):118-120.

[6]程月華,毛罕平,李萍萍.設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉量控制模型和營養(yǎng)液供給自動控制系統(tǒng)[J].計算機工程,2003,7(11):137-139.

[7]任文濤,楊懿,張本華,崔紅光,黃毅,張玉龍.溫室節(jié)點式滲灌自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,8(8).

[8]潘明,鐘鋒.物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝,2011,7:55-57.

張兆朋（1980—），男，淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校講師，研究方向：智能控制研究。