胡志潔 沈瑞冰 張秀芳
摘 要:當(dāng)前較多的農(nóng)業(yè)大棚仍采用傳統(tǒng)的人工操作和控制方法,出現(xiàn)較多弊端。管理粗放、技術(shù)設(shè)施落實(shí)不到位、智能化水平低導(dǎo)致單位生產(chǎn)效率低、投入產(chǎn)出比不高、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平起伏較大。本設(shè)計(jì)提出了基于LPC4357的農(nóng)業(yè)大棚管理系統(tǒng),使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度和光照值,通過ZigBee將數(shù)據(jù)傳送給主控,并將最終數(shù)據(jù)顯示在LCD屏上。當(dāng)大棚環(huán)境中的溫度高于設(shè)定值時(shí),自動(dòng)開啟大棚通風(fēng)系統(tǒng),進(jìn)行通風(fēng)換氣降溫;當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時(shí),啟動(dòng)大棚內(nèi)的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉,當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)則自動(dòng)停止,實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。
關(guān)鍵詞:LPC4357;ZigBee;農(nóng)業(yè)大棚;傳感器
中圖分類號(hào):TP212;S626.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2017)09-0-02
0 引 言
根據(jù)我國的國情,農(nóng)業(yè)較工業(yè)而言占據(jù)較大比重。但我國農(nóng)業(yè)工業(yè)化水平較低,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚較多。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚存在以下弊端:
(1)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚基本都采用人工管理,管理程序多且復(fù)雜,同時(shí)人工管理投入大,容易產(chǎn)生錯(cuò)誤,易造成大棚溫度過高、過低、過潮、過干等;
(2)由人工管理的農(nóng)業(yè)大棚無法實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚的狀態(tài),對大棚進(jìn)行實(shí)時(shí)管理;
(3)傳統(tǒng)大棚燃料消耗較大,導(dǎo)致成本較高,降低了收益。
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)效率低、成本高、產(chǎn)量低等特點(diǎn)已無法滿足工業(yè)信息化時(shí)代的要求。隨著我國人口逐漸增多,人民生活條件也逐漸改善,傳統(tǒng)大棚已不能滿足現(xiàn)代人的需求,開發(fā)智能管理大棚勢在必行!
1 系統(tǒng)方案介紹
系統(tǒng)基于LPC4357,使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度和光照值,通過ZigBee將數(shù)據(jù)傳送給主控,并將最終數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來。
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無線傳輸模塊、主控模塊和自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的溫濕度和光照信息通過ZigBee協(xié)議棧傳送給與LPC4357連接的ZigBee節(jié)點(diǎn);ZigBee節(jié)點(diǎn)再通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至LPC4357主控模塊;如果某一大棚的參數(shù)超過設(shè)定值,液晶屏?xí)霈F(xiàn)紅色告警,如果溫度過高則開啟風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降溫,若土壤濕度過低,則啟動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置進(jìn)行灌溉。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 主控模塊介紹
LPC4357擁有Cortex-M4處理器與32位的ARM,最高運(yùn)行頻率為168 MHz,內(nèi)部集成1 MB 閃存,192+4 KB的SRAM,可外擴(kuò)Micro SD卡存儲(chǔ),6路串口,工作溫度范圍為0 ℃ ~ 40 ℃,工作電壓為5 V。
由PF9控制風(fēng)扇繼電器,驅(qū)動(dòng)降溫控制;由PF10控制土壤灌溉繼電器,驅(qū)動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置。
2.2 ZigBee無線通訊模塊介紹
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸。
ZigBee無線傳輸模塊以CC2530芯片為核心進(jìn)行相互間的通訊。本設(shè)計(jì)有5個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn),其中1個(gè)為接收,其余4個(gè)為發(fā)送。4個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送大棚溫度、濕度、光照和土壤濕度值。
2.3 各傳感器介紹
本設(shè)計(jì)用到的傳感器包括溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11、光敏電阻以及土壤濕度傳感器。這些傳感器負(fù)責(zé)采集信息,并將采集到的信息分別通過4個(gè)ZigBee發(fā)送模塊發(fā)送給接收模塊。
2.4 串口電路
發(fā)送端通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線協(xié)議棧中,通過無線發(fā)送給接收端,接收端接收到信息后通過串口發(fā)送給LPC4357主控制板,主控制板接收、處理串口信息進(jìn)行界面顯示,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,LPC4357通過一個(gè)IO口發(fā)送控制信號(hào),以此來驅(qū)動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置或降溫裝置。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件環(huán)境介紹
本設(shè)計(jì)運(yùn)用Keil公司研發(fā)的RealView MDK軟件,該編程軟件被全球超過十萬嵌入式工程師或?qū)W者使用,是ARM公司最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。它集成了業(yè)界領(lǐng)先技術(shù),融合了中國多數(shù)軟件工程師所需要的特點(diǎn)和功能。μVision4集成開發(fā)環(huán)境支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex-M3內(nèi)核處理器,自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼,具有強(qiáng)大的性能分析功能。
3.2 子節(jié)點(diǎn)ZigBee采集傳感器
ZigBee接收流程如圖2所示。先檢測傳感器是否存在或完好,若存在或完好,讀取傳感器信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換,最終將數(shù)據(jù)寫入無線協(xié)議中并發(fā)送。
3.3 ZigBee接收流程
ZigBee接收流程如圖3所示。接收端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀頭匹配,完成之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,從而控制自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊。
4 系統(tǒng)測試
與一般溫室大棚相似,應(yīng)設(shè)定參數(shù)滿足其光照、滴灌、大棚內(nèi)二氧化碳濃度、濕潤度以及土壤酸堿度等。測試周期控制為一周,采樣時(shí)間間隔設(shè)定為1小時(shí),本系統(tǒng)采用模擬測試,搭建按比例縮小的農(nóng)作物溫室大棚,對環(huán)境參數(shù)采集24組數(shù)據(jù),對溫度、濕度、光照、土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測。
通過自動(dòng)灌溉裝置與降溫裝置將數(shù)據(jù)控制在設(shè)定范圍。一周監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示,光照平均值如圖5所示。
5 結(jié) 語
對一周的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出,本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測及控制,解決了農(nóng)業(yè)大棚看護(hù)不科學(xué)、不及時(shí),從而造成農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降,甚至無法收獲農(nóng)作物的問題。
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