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[關(guān)鍵詞] 土壤 溫濕度 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

[中圖分類號] S159.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1003-1650 （2013）04-0059-01

一、引言

高端科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升發(fā)展，促使實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)與完善。根據(jù)農(nóng)作物對水的需求度與水源供應(yīng)情況，對于提供給農(nóng)作物的各種基礎(chǔ)生長條件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂婆c調(diào)節(jié)從而可以保證水資源的合理使用，然而土壤的溫濕度對于農(nóng)作物的正常生長有著重要的決定作用，這是作為管理農(nóng)作物生長的重要考慮因素。因此對于農(nóng)作物的正常生長規(guī)律需要進(jìn)行及時的控制與調(diào)節(jié)，各種農(nóng)作物會處于不同時段的發(fā)育期而相應(yīng)的需水量與合適的生長溫度各有所不同，這些問題在本質(zhì)上應(yīng)該是取決于土壤的含水量。土壤中含水量的相應(yīng)測量方法，由傳統(tǒng)舊式的烘干法到之后的電測法到現(xiàn)在的核技術(shù)方法等發(fā)展過程。本文研究的是一種適用于提供灌溉試驗站點(diǎn)和生產(chǎn)單位選用的快速溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]，選取AD590與濕敏電容實(shí)現(xiàn)對溫濕度數(shù)據(jù)的測量，相應(yīng)的采集信號經(jīng)過A/D處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，將單片機(jī)作為控制核心與選用滯回比較器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以很大程度地簡化系統(tǒng)的電路機(jī)構(gòu)，降低了功耗與成本，具有較高的實(shí)用價值。

二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計原理

本文設(shè)計的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選取AT89C51型號的單片機(jī)作為主控核心，這型號配置了四節(jié)閃爍可編程可擦除式的只讀存儲器需要的低電壓條件，是一款具有高性能的8位MOS微處理芯片，其相應(yīng)的可擦除只讀存儲器能夠允許重復(fù)擦出100次[2]，使用ATME密度的非易失存儲器技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)生制造，符合工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)且能夠與MCS-51的指令集與輸出管腳實(shí)現(xiàn)兼容。本文系統(tǒng)設(shè)計的相應(yīng)擴(kuò)展電路選取的是Intel公司生產(chǎn)制造的可編程式輸入輸出接口芯片8255，其配置了三個并行式I/O口，分別是PA口、PB口和PC口，然而PC口可分為高四位口與低四位口，其均是需要經(jīng)過相應(yīng)的軟件編程來實(shí)現(xiàn)工作方式的改變。

三、土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

1.溫度采集電路模塊

測量溫度的電子元件采用集成化的溫度傳感器AD590，其具有溫度-輸出電流特性成線性關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)。此溫度采集電路模塊的電流輸出是1μA/K， R1、R2、R3、R4 與AD590共同構(gòu)成測溫電橋電路。其中相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓是2.73V，當(dāng)處于零攝氏度時，相應(yīng)的電位是2.73V，然后由A2、A3和A4構(gòu)成的數(shù)據(jù)放大器相應(yīng)的輸入與輸出都為零[3]。當(dāng)溫度升高時，放大器相應(yīng)的輸入電壓是以10mV/°C的變化速率進(jìn)行變化，其對應(yīng)的放大倍數(shù)是5，當(dāng)測量溫度的范圍在0-50°C時，其相應(yīng)輸出電壓是0-2.50V。

2.濕度采集電路模塊

濕度采集電路模塊分別由電容傳感器CX、C0、C1與電阻R3、R4構(gòu)成的基本電橋式電路，由G1與G2兩個與非門構(gòu)成了多諧振蕩器從而充當(dāng)電橋電路的電源，相應(yīng)的頻率是10kHz[4]。不平衡式的電橋電路相應(yīng)的輸出電壓變化可以反映出CX的動態(tài)變化，也即是土壤中的含水量變化，通過A進(jìn)行放大處理后送入至A/D轉(zhuǎn)換電路處理。溫度補(bǔ)償電路由負(fù)溫度特性的熱敏式電阻RX和變?nèi)菔蕉O管2CC3構(gòu)成，變?nèi)荻O管相應(yīng)的電容量是跟隨著偏置電壓的幅值而發(fā)生改變，如果溫度上升時電容CX的數(shù)值也會相應(yīng)的增大，此時補(bǔ)償電路的熱敏式電阻值RX反而會減小，這樣會使得變?nèi)荻O管的偏壓值升高，相應(yīng)的電容值減小，從而實(shí)現(xiàn)對CX的校正處理。

3.數(shù)據(jù)顯示電路模塊

通過AD590型號的溫度傳感器所測量得到相應(yīng)的溫度信號之后進(jìn)行對應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示[5]。濕度信號時經(jīng)過對應(yīng)的濕敏電容進(jìn)行采集后實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換而得到的，傳感器相應(yīng)的輸出電壓用V表示，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器的作用進(jìn)行地址碼的編寫，由EPROM的相對應(yīng)單元可以輸出含水量數(shù)據(jù)代碼，然后經(jīng)過DAC0832以電壓形式輸出，最后可以顯示出相應(yīng)的土壤含水量。

4.系統(tǒng)控制電路模塊

系統(tǒng)的控制信號是通過AT89C51中的P0口進(jìn)行輸出送到相應(yīng)的控制電路74HC373中，并且由WR與P25經(jīng)邏輯門74HC02對74HC373實(shí)現(xiàn)控制。如果WR與P25都處于低電平狀態(tài)時，可以允許74HC373輸出相應(yīng)的控制信號[6]。繼電器J1、J2與J3通過晶體管9013實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，其相應(yīng)的驅(qū)動電流大概是150mA。在繼電器釋放過程中二極管4007和繼電器的線圈構(gòu)成通路狀態(tài)，用于保護(hù)晶體管9013。為達(dá)到保護(hù)繼電器的目的，在后繼電路接入一級接觸器，通過接觸器對受控制對象進(jìn)行直接驅(qū)動。

四、結(jié)束語

在本文設(shè)計土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中選取AD590用于測量溫度，只需使用濕敏電容就能夠?qū)崿F(xiàn)濕度的測量，從而可以把土壤濕度狀況轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電容值以數(shù)字形式顯示出來，不但實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的有效簡化，還可以節(jié)約了系統(tǒng)的硬件搭建成本。傳感器的相應(yīng)探頭是由一對針形的不銹鋼柱所構(gòu)成，并且易于土壤里，對土壤結(jié)構(gòu)造成的影響相對比較小。系統(tǒng)的控制核心選取AT89C51單片機(jī)結(jié)合繼電器進(jìn)行電機(jī)的控制，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)節(jié)的目的，跟同類型的傳統(tǒng)舊式測量系統(tǒng)以及現(xiàn)代化測量系統(tǒng)對比，其具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、體積尺寸小、硬件成本低與通用性良好等多種特點(diǎn)，有利于系統(tǒng)的升級優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2005.

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1研究區(qū)概況

選取甘肅省慶陽市西峰區(qū)西峰氣象站（35°44′N，107°38′E）為代表站進(jìn)行研究。該站位于隴東黃土高原東部的董志塬。董志塬面積910km2，由塬地、川地和河流灘地組成，海拔高度1421m，是黃土高原保存較為完整的一塊塬面。該塬黃土層深厚，氣候?qū)侔敫珊蛋霛駶檯^(qū)，農(nóng)業(yè)為典型的旱作農(nóng)業(yè)。年平均降水量527．1mm，年平均溫度8．7℃，平均日照2457．8h，具有典型的黃土高原地理和氣候特征。西峰區(qū)氣象站是隴東地區(qū)較為重要的農(nóng)業(yè)氣象試驗站，其所測土壤濕度數(shù)據(jù)是甘肅東部黃土高原土壤含水狀況的典型代表，故本文選取西峰區(qū)氣象站為代表站進(jìn)行研究。

2資料來源

2．1土壤濕度數(shù)據(jù)本研究所采用的土壤濕度資料分為兩部分，前者來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的《中國農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集》。該數(shù)據(jù)集包含了1991年9月至2010年12月中國778個農(nóng)業(yè)氣象站逐旬觀測記錄的農(nóng)作物生長發(fā)育狀況報告，具體內(nèi)容包括：作物名稱；發(fā)育期名稱；發(fā)育期日期；發(fā)育程度；發(fā)育期距平；干土層厚度；10，20，50，70，100cm土壤相對濕度（用百分?jǐn)?shù)表示）。另外，分層土壤濕度數(shù)據(jù)來源于國際土壤濕度網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)（http：∥www．ipf．tuwien．a(chǎn)c．a(chǎn)t／insitu／），該數(shù)據(jù)集包括中國境內(nèi)40個農(nóng)業(yè)氣象站1981—1999年每年3—11月每旬第8d利用土鉆法人工取土得到的分層土壤濕度（土壤含水量占干土質(zhì)量百分比）觀測記錄。取土深度為1m，每10cm為一層，共分11層（0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60，60—70，70—80，80—90，90—100cm），每個點(diǎn)取1次，共4個重復(fù)。然后利用烘箱烘干，稱重后計算土壤含水量，4次重復(fù)的平均即土壤的平均含水量。觀測結(jié)果已轉(zhuǎn)化為體積含水量。土壤水文與物理特性常數(shù)來自于1980年和1998年的測定值。在土壤濕度觀測的固定測定地段內(nèi)，土壤、耕作制度等變化相對較小，因此，年際間非氣象因子的影響較小。

2．2氣象數(shù)據(jù)本研究所采用的氣象數(shù)據(jù)同樣來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：∥cdc．cma．gov．cn／）的《中國地面氣候資料年值數(shù)據(jù)集》和《中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集》。該數(shù)據(jù)集包括中國752個基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測站及自動站1951年以來氣候資料年值、月值數(shù)據(jù)集。本文主要選取該數(shù)據(jù)集中西峰區(qū)站的溫度和降水要素進(jìn)行分析。

3研究方法

在本研究中，采用線性趨勢法分析溫度、降水等氣象要素以及土壤濕度的變化趨勢，線性趨勢變化可用一元方程描述和建立變量y（x）與其所對應(yīng)的時間x的一元線性回歸方程：y（x）＝ax＋b。式中：a為斜率，亦即趨勢傾向率或變化率；b為截距，a，b可用最小二乘法進(jìn)行估計。趨勢顯著性檢驗采用F檢驗［8－9］。在分析土壤相對濕度與氣象要素的相關(guān)關(guān)系時使用皮爾遜相關(guān)分析法，其計算公式如下：式中：n———樣本數(shù)；珡X———變量x的均值；珚Y———變量y的均值；rxy———變量x和變量y的相關(guān)系數(shù)。通過該系數(shù)可以確定，如果r值通過0．05的顯著性水平（p＜0．05），則認(rèn)為土壤濕度與氣象要素變化緊密相關(guān)。本研究采用非參數(shù)檢驗法［10］對氣溫、降水資料序列進(jìn)行突變檢測，該方法為無母數(shù)檢定法，不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值干擾，適用于類型變量和順序變量，計算方便簡單。在氣候序列平穩(wěn)前提下對于具有n個樣本量的時間序列x，構(gòu)造一秩序列：式中：ri———第i個樣本xi大于xj（2≤j≤i）的累計值。在時間序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下，定義統(tǒng)計量：當(dāng)│UFk│≥Ua時（Ua為顯著水平的臨界值），表明序列存在明顯的增長或減少趨勢。所有UFk將組成一條曲線UF。把同樣的方法引用到反序列中，得到另一條曲線UB，UF或UB的值超過臨界直線時，表明增長或減少趨勢顯著，超出臨界線的區(qū)域為出現(xiàn)突變的區(qū)域，兩條曲線的交點(diǎn)若在臨界線之間，則對應(yīng)的便是突變開始時間。潛在蒸散量采用FAO推薦的Penman—Monteith方法［11－12］計算。

4結(jié)果與分析

4．1近50a氣溫、降水變化主要特征

1961—2010年的50a間西峰區(qū)氣溫呈明顯上升趨勢，年平均氣溫以0．5℃／10a的速度增加，其中春、夏、秋、冬各季的平均氣溫分別以0．5，0．2，0．4，0．6℃／10a的速度增加，冬季增溫最明顯。年代際間的增溫幅度以21世紀(jì)初的10a最為明顯（表1），80年代增溫最小。50a來氣溫呈波動上升，20世紀(jì)80年代后期前氣溫降低，之后逐漸上升。這與陳隆勛等［13］研究得出的全國平均氣溫變化特征相似。50a來年降水量以平均20．9mm／10a的速度下降，季節(jié)降水量的變化存在明顯差異，春、秋季降水量分別以5．4和19．2mm／10a的速度下降，而夏、冬季降水分別以2．7和1．6mm／10a速度增加。降水的年代際變化差異也較大，21世紀(jì)初10a平均年降水量為546．3mm，較20世紀(jì)90年代增加了72．6mm，是降水量增加幅度最大的年代。20世紀(jì)90年代平均年降水量僅為473．7mm，較80年代減少了89．2mm，是降水量最少，減少幅度最大的年代（表1）。50a來年降水量呈波動式減少，80年代初前后降水量增加，之后一直呈降低趨勢。1995年是降減少最大的年份，年降水量僅為333．8mm，21世紀(jì)初的幾年有所增加。

4．2近20a土壤濕度變化規(guī)律

4．2．1土壤濕度年代、季節(jié)變化不同年份氣候、環(huán)境等條件變化使土壤濕度條件存在年際間差異［14］。從圖1可以看出，20a來各層土壤濕度總體上均呈現(xiàn)出下降趨勢。1992年以后土壤濕度在1997年和1995年降到最低值，21世紀(jì)初10a略有增加。為進(jìn)一步分析土壤濕度的變化規(guī)律，分別計算出不同層次各季土壤濕度變化率（表2）。總體來看，近20a春季不論淺層還是較深層土壤濕度呈下降趨勢，是各季中土壤濕度減少最明顯的季節(jié)，且表層土壤濕度更易受到氣候條件變化的影響。20a來夏季土壤濕度變化趨勢與春季具有類似規(guī)律，但變化率明顯低于春季。秋季土壤濕度變化與春季和夏季稍有不同，10—50cm土壤濕度呈下降趨勢，70cm和100cm呈上升趨勢。對20a間西峰區(qū)逐年平均土壤濕度和降水量進(jìn)行了對比分析。由其時間演變曲線（圖1）可以看出，土壤濕度及降水量年際變化振蕩比較明顯，呈多波動分布，兩者達(dá)到顯著相關(guān)水平，且降水變化較土壤濕度變化更劇烈。年平均濕度最小值出現(xiàn)在1995年，為55％。最大值出現(xiàn)在2003年，為74％，是最小年的1．35倍。而年降水量最小值出現(xiàn)在1995年，為333．8mm，最大值出現(xiàn)在2003年，為828．2mm，是最小年的2．49倍。1997—2003年土壤濕度持續(xù)增加，1992—1995年不斷下降。而年降水量波動變化較大。1992—1995年降水量持續(xù)降低，1999—2003年持續(xù)升高。所測土壤濕度的變化與降水量變化并不完全一致，是因為土壤濕度的變化除了受作物消耗及蒸發(fā)作用影響外，還與降水時段出現(xiàn)在測墑前與測墑后有很大關(guān)系。

4．2．2土壤濕度的月變化為了分析西峰區(qū)麥田土壤濕度在小麥生長期對時間的敏感變化，分別研究了土壤濕度的月、旬變化。其中旬、月變化總趨勢是8—11月為土壤蓄墑期，3—7月為土壤失墑期。為了分析土壤濕度的月變化，對西峰區(qū)8—11月與次年3—7月0—100cm土壤濕度進(jìn)行了分析。由土壤濕度月變化圖（圖2）可以看出，8—11月與次年3—7月的土壤濕度變化趨勢為先增加再減少，高峰期在10，11月。土壤濕度最低值出現(xiàn)在6，7月，可將這2個階段分為秋季增墑期和春末夏初失墑期。（1）秋季增墑期。根據(jù)西北地區(qū)東部降水季節(jié)變化［7］，隴東地區(qū)年降水主要集中在7—8月，降水充足，期間麥田正處于休閑期，是土壤蓄水的關(guān)鍵時期，9—11月是冬小麥播種、出苗至停止生長階段。期間作物耗水量和蒸發(fā)量都很少，有利于土壤冬前水分儲備，以至于到11月土壤濕度達(dá)到最大值。（2）春末夏初失墑期。3—4月為春季少雨期以及冬小麥的返青拔節(jié)期。該期耗水量大，降水不能滿足作物的需求，土壤濕度下降。5—6月為春末夏初階段。該期間冬小麥處于抽穗至乳熟期，耗水量大增，氣溫升高，蒸發(fā)量變大，使土壤水分損失較大，失墑嚴(yán)重，為一年之中土壤濕度的最低值期。

4．2．3土壤濕度的旬變化為了進(jìn)一步分析西峰區(qū)土壤濕度對時間的敏感變化，分析了西峰區(qū)7月中旬至11月上旬及次年3月上旬至7月上旬逐旬0—100cm土層土壤體積含水量。由圖2可以看出，7月中旬至8月下旬該區(qū)處于降水高峰期，土壤水分得到補(bǔ)充，土壤墑情得到不斷改善；9月上旬至10月上旬，降水量急劇減少。由于期間作物消耗水量較少，加之秋季多連陰雨天氣，蒸發(fā)量較少，土壤濕度持續(xù)增長。3月上旬至4月中旬為冬小麥返青至拔節(jié)期。該期耗水量增加，平均降水量略有增加，含水量有小波動變化。4月下旬至6月下旬，小麥處于孕穗期、臘熟期。該期間西峰區(qū)處于春末夏初階段，作物耗水量遠(yuǎn)大于降水量，土壤濕度不斷降低。7月上旬，降水量增加，冬小麥處于成熟至收獲期。該期需水量大減，土壤濕度略有增加。

4．3氣候變化對土壤濕度的影響

自然降水是隴東土壤水分最主要的來源，氣溫通過蒸發(fā)影響土壤濕度。計算1991—2010年西峰區(qū)春、夏、秋季10，20，50，70，100cm土壤濕度百分率與不同季節(jié)平均氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)（表3）。可以看出，就表層土壤而言，各季土壤濕度與本季氣溫均為負(fù)相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)。春季土壤濕度與上年夏、秋季平均氣溫負(fù)相關(guān)；夏季土壤濕度與春季平均氣溫、降水相關(guān)顯著；秋季土壤濕度與夏季降水呈正相關(guān)。就較深層土壤而言，春季土壤濕度與上年夏、秋季氣溫、降水呈顯著相關(guān)；夏季則與春季氣溫、降水及該季氣溫顯著相關(guān)；秋季雨水豐沛，較深層土壤濕度與各季氣溫、降水相關(guān)均不顯著。可見雨季的氣候條件不僅影響到該季土壤濕度條件，而且影響到次年春季的土壤濕度，尤其是深層的土壤濕度條件，即所謂的“秋雨春用”。

4．4蒸散對土壤濕度的影響

潛在蒸散量（E0）包括地面蒸發(fā)和植物蒸騰在內(nèi)的土壤水分散失，綜合反映了氣溫、水汽壓、日照和風(fēng)速等氣象要素對土壤水分散失的影響。作為土壤水分循環(huán)的一個重要方面，蒸散對土壤濕度有明顯制約作用。由潛在蒸發(fā)與土壤濕度季節(jié)變化和年變化曲線（圖3—4）可以看出，潛在蒸發(fā)與土壤濕度變化趨勢基本相反，蒸發(fā)強(qiáng)烈導(dǎo)致土壤水分支出增加。圖3—4反映了西峰地區(qū)潛在蒸散量和土壤濕度的月份和年際變化。可以看出，潛在蒸散量對土壤濕度的影響月份和年際變化均呈現(xiàn)出反位相的特點(diǎn)。在月變化上，蒸散量峰值出現(xiàn)在7月，對應(yīng)的土壤濕度谷值出現(xiàn)在6，7月份，基本呈同步變化趨勢。年際變化上，3—11月蒸散量峰、谷值出現(xiàn)在1997年和2003年，與之對應(yīng)的土壤濕度的谷、峰值也位于1997年和2003年，蒸散量與土壤濕度的反位關(guān)系表現(xiàn)得較為明顯。5結(jié)論

（1）50a來隴東氣溫呈波動上升，降水量呈波動減少。20世紀(jì)80年代后期氣溫以上升為主，降水以下降為主，與王飛等［15］的“1985—1993年為暖濕期，降水量和年均氣溫均較高”的結(jié)論比較接近。隴東氣溫在1993年發(fā)生暖突變，降水突變點(diǎn)并不明顯。1995年是降水負(fù)距平最大的年份。

（2）20a來隴東各層土壤濕度總體上均呈現(xiàn)出下降趨勢，21世紀(jì)初10a略有增加。春季各層土壤濕度呈下降趨勢，是各季中土壤濕度減少最明顯的季節(jié)，表層土壤濕度更易受到氣候條件變化的影響。夏季土壤濕度變化趨勢與春季具有類似規(guī)律，但變化率明顯低于春季。秋季土壤濕度變化與春季和夏季稍有不同。10—50cm土壤濕度呈下降趨勢，70cm和100cm呈上升趨勢。西峰區(qū)土壤濕度年際變化振蕩明顯，呈多波動變化，其變化較年降水量相對遲緩。土壤濕度與降水量的相對變化除了受作物消耗及蒸發(fā)作用影響外，還與降水時段出現(xiàn)在測墑前與測墑后有很大關(guān)系。土壤濕度具有明顯的時間變化規(guī)律。逐月、逐旬土壤濕度變化曲線基本呈V形分布，土壤濕度低谷在6，7月，可分為春末夏初失墑期與秋季增墑期。以上結(jié)論與王勁松等［16］，王潤元等［17］在西峰15第3期嚴(yán)麗等：隴東黃土高原農(nóng)田土壤濕度演變對氣候變化的響應(yīng)區(qū)和隴東地區(qū)開展的土壤濕度研究所得出的結(jié)論較為接近，與王錫穩(wěn)等［18］在黃土高原或西北地區(qū)對土壤水分所進(jìn)行的研究得出的結(jié)論基本一致。

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關(guān)鍵詞：CC2530；STM32F107；溫濕度；定位

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095—1302（2012）10—0029—03

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，溫室大棚的數(shù)量不斷增多，規(guī)模不斷增大，而對溫濕度的控制是溫室大棚的重要控制環(huán)節(jié)。溫濕度的變化會影響到作物的生長，因此，需要將溫濕度控制在適合作物生長的范圍內(nèi)[1]。對于大棚內(nèi)溫濕度的采集，傳統(tǒng)的有線傳輸布線比較麻煩，成本高，可拓展性差。因此，本文提出了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的低成本、低功耗、擴(kuò)展性好、安全性和可靠性高的無線大棚溫濕度采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的溫濕度采集和空間定位，本系統(tǒng)采用基于Z—STACK協(xié)議棧組建的樹形網(wǎng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該無線網(wǎng)絡(luò)由一個雙核協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備組成。其中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立、維護(hù)和管理無線網(wǎng)絡(luò)，并收集所有終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)與監(jiān)護(hù)終端進(jìn)行雙向通信。路由器負(fù)責(zé)最佳路由路徑的搜尋以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并作為定位系統(tǒng)中的參考節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)中的終端設(shè)備，作為定位系統(tǒng)中的盲節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)溫濕度的采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 雙核協(xié)調(diào)器的設(shè)計

協(xié)調(diào)器是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，是實(shí)現(xiàn)溫濕度采集系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵設(shè)備。圖2所示為系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器硬件的整體框圖。該協(xié)調(diào)器采用雙MCU設(shè)計，其主控核心是采用Cortex—M3內(nèi)核的STM32F107，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)存儲、處理和遠(yuǎn)程傳輸。協(xié)處理器由CC2530和CC2591組成，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器的無線收發(fā)功能。主控核心與協(xié)處理器之間通過串口通信，其接口電路如圖3所示。雙核協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)連接到監(jiān)控中心。STM32F107的以太網(wǎng)模塊包括一個符合802.3協(xié)議的MAC（介質(zhì)訪問控制器）和專用DMA控制器。該模塊支持默認(rèn)的、獨(dú)立于介質(zhì)的接口（MMI）和精簡的、獨(dú)立于介質(zhì)的接口（RMII）。本文通過AFIO_MAPR寄存器的選擇位來選擇RMII接口模式，電路選用集成并符合成本效益的快速以太網(wǎng)PHY控制芯片DM9161AEP。

2.2 溫濕度采集電路

ZigBee無線終端對于空氣溫濕度的采集設(shè)備采用的是SHT10數(shù)字溫濕度傳感器，對于土壤溫濕度采集設(shè)備同樣采用的是SHT10土壤專用溫濕度傳感器。SHT10傳感器芯片是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。該傳感器包括一個電容式聚合體測溫元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫鏈接。SHT10采用I2C與CC2530處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。同時，在測量和通訊結(jié)束后，SHT10會自動轉(zhuǎn)入休眠模式。因此，該傳感器具有精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。SHT10與CC2530的接口電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)（監(jiān)控中心）和下位機(jī)（ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)）設(shè)計兩部分，本文重點(diǎn)講述上位機(jī)對所采集溫濕度數(shù)據(jù)的處理算法和下位機(jī)的軟件設(shè)計方法。

3.1 溫濕度監(jiān)控程序設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)要對大棚中的空氣溫濕度和土壤溫濕度分別進(jìn)行實(shí)時采集，然后經(jīng)每個子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)將這些溫濕度數(shù)據(jù)輸出，并由協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)，再經(jīng)以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心。系統(tǒng)將在監(jiān)控中心服務(wù)器中建立自己的數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)將上傳的數(shù)據(jù)存儲到監(jiān)控中心預(yù)警數(shù)據(jù)庫中，然后通過上位機(jī)決策軟件自主設(shè)定符合作物生長的溫濕度范圍，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析以產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)警和決策。其處理流程如圖5所示。

3.2 下位機(jī)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

由于協(xié)調(diào)器要完成多任務(wù)處理、多任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲、TCP/IP通信協(xié)議以及無線通信協(xié)議等，需要實(shí)現(xiàn)的功能比較復(fù)雜，因此，本系統(tǒng)在協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計中加入了嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uC/OS—II和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。uC/OS—II是一種可移植、可固化、可剪裁、占先式多任務(wù)實(shí)時內(nèi)核，它具有占用空間小、執(zhí)行效率高、實(shí)時性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。軟件應(yīng)用層、uC/OS—II操作系統(tǒng)、目標(biāo)處理器硬件等各個模塊之間關(guān)系如圖6所示。

因為uC/OS—II操作系統(tǒng)不支持TCP/IP協(xié)議棧，所以，要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，需要移植LwIP（Light Weight IP）協(xié)議棧到STM32F107處理器上。移植版本為1.3.1的LwIP協(xié)議棧，主要是將LwIP源碼文件中的api、core、include和netif文件移植到軟件系統(tǒng)中，移植過程中需要修改的幾個重要源碼文件包括TcpTrans.c、TcpTrans.h、Netconf.c、bsp.c、opt.h和lwipopts.h。

協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)與PC相連，負(fù)責(zé)接收由監(jiān)控軟件提供的各參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，同時，還將接收到的各節(jié)點(diǎn)所反饋的有效數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控軟件[2]。其協(xié)調(diào)器軟件處理流程如圖7所示。

3.3 終端設(shè)備與路由器軟件設(shè)計

因為溫室大棚內(nèi)的溫濕度不會產(chǎn)生驟變，所以，為了降低終端設(shè)備的功耗，我們采用休眠—喚醒模式。終端節(jié)點(diǎn)完成初始化后將主動請求加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后處于睡眠狀態(tài)，每隔5 min喚醒一次終端設(shè)備，以便采集溫濕度參數(shù)和定位信息，并將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心，同時使設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次采集事件的喚醒。其工作流程如圖8所示。

路由器是一種已知坐標(biāo)的靜態(tài)參考節(jié)點(diǎn)，首先應(yīng)配置其坐標(biāo)位置，這樣可以響應(yīng)終端采集設(shè)備的RSSI和坐標(biāo)請求報文，為終端設(shè)備提供RSSI和坐標(biāo)參考值，同時，路由器還要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。圖9所示是其工作流程圖。

3.4 定位的實(shí)現(xiàn)

通過上位機(jī)決策軟件判決時，如果某些終端節(jié)點(diǎn)采集的溫濕度值不在預(yù)先設(shè)置的溫濕度值范圍，則應(yīng)通過定位系統(tǒng)對該區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)澆灌等處理，以有效地節(jié)約大棚的經(jīng)營成本。本設(shè)計采用距離無關(guān)的定位算法，終端設(shè)備多次廣播發(fā)送計算RSSI的請求報文，路由節(jié)點(diǎn)收到終端設(shè)備的請求報文后，立即向終端設(shè)備發(fā)送包含平均RSSI和自身坐標(biāo)的報文，終端設(shè)備將平均RSSI值最好的那個路由器參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)作為終端設(shè)備的定位位置。因為受到障礙物的影響，該定位算法難免會有誤差，增加路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量會有效增加定位精度，但不利于控制成本。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無線實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，同時介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，提出了由雙MCU組成的高效雙核協(xié)調(diào)器設(shè)計理念。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)對大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且具有組網(wǎng)靈活、可拓展性好、能實(shí)時采集溫濕度數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，對于推動農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化等方面具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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篇4

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測；wifi

1 概述

中國是世界上的人口大國，也是農(nóng)業(yè)大國，隨著時代的進(jìn)步，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式已經(jīng)無法跟上時展的腳步，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，已成為必須解決的問題。面對這樣的問題各國都已做了相應(yīng)的研究，科學(xué)種田和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)就是大家所研究的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于缺乏有效的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測手段，農(nóng)民無法對農(nóng)作物生長做出及時的調(diào)整，僅憑經(jīng)驗，生產(chǎn)效率低下。獲取農(nóng)作物生長環(huán)境信息，是實(shí)施精準(zhǔn)施肥、精確灌溉等的重要依據(jù)，也是提高農(nóng)田生產(chǎn)效率的重要條件[1]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示及控制系統(tǒng)等組成。利用一些傳感器對農(nóng)田環(huán)境中的土壤溫濕度、空氣溫濕度、土壤PH值、作物生長實(shí)時畫面等環(huán)境因子進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)被處理之后由上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給下位機(jī)，在電腦和手機(jī)終端上進(jìn)行顯示和報警，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

3.1 wifi傳輸?shù)脑O(shè)計

無線數(shù)據(jù)的傳輸是系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)中各個傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)主要由wifi模塊來向終端傳輸[2][3]。各個節(jié)點(diǎn)的傳感器將環(huán)境因子采集后首先傳入到ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊，然后ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊再通過串口將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與wifi模塊串口相連將數(shù)據(jù)包通過wifi模塊以相應(yīng)的地址傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)，最終由終端接收，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 報警器的設(shè)計

報警器件為蜂鳴器，報警模塊主要用于當(dāng)農(nóng)田環(huán)境（如空氣溫濕度、土壤濕度等）出現(xiàn)異常情況時，即達(dá)到所設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會給報警電路一個觸發(fā)，使蜂鳴器發(fā)聲。并將信號傳回到上位機(jī)，提示用戶及時采取措施。

3.3 溫濕度采集的設(shè)計

空氣溫濕度和土壤溫濕度是農(nóng)作物生長的重要條件，它直接影響作物的呼吸作用。系統(tǒng)選用DHT11溫濕度傳感器對空氣溫濕度進(jìn)行檢測[4]，采用YL-69土壤濕度傳感器模塊，對土壤的溫濕度進(jìn)行檢測。兩者都可直接測量溫度和濕度，并且每個傳感器設(shè)備都進(jìn)行了精準(zhǔn)的溫、濕度校準(zhǔn)檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的監(jiān)測。

3.4 灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)主要用于定量的對農(nóng)田實(shí)施灌溉，這里主要涉及灌溉水量的控制，本系統(tǒng)采用HX711與稱重傳感器組合實(shí)施。HX711是24位AD，稱重傳感器檢測水量的實(shí)時變化，并將輸出的模擬信號通過HX711AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將數(shù)字信號通過串行方式發(fā)送給51單片機(jī)，由此單片機(jī)對水量進(jìn)行控制，輔助灌溉系統(tǒng)的液晶界面上會顯示出水量的當(dāng)前值和已用水量值。從而，精確的計算出用戶的用水量。

4 系統(tǒng)軟件和顯示終端

本系統(tǒng)中采用IAR EW8051作為本系統(tǒng)的主要軟件開發(fā)平臺[5]。終端分為兩個部分：PC終端和移動手持終端。采用C++語言編寫APP作為手持終端和PC終端的監(jiān)測平臺，只要終端連入Internet網(wǎng)絡(luò)并輸入相應(yīng)的地址，監(jiān)測平臺上便可顯示出農(nóng)田環(huán)境的各個參數(shù)，做到監(jiān)控數(shù)字化。終端監(jiān)測界面如圖2。

5 系統(tǒng)測試

5.1 溫、濕度采集測試結(jié)果

測試時通過將DHT11測試與高精度的傳感器測試結(jié)果對比，比較數(shù)據(jù)，溫度誤差在0.1度之內(nèi)，濕度誤差最大在1.7%左右，數(shù)值完全符合測試要求。

5.2 系統(tǒng)總體測試結(jié)果

本系統(tǒng)的多個傳感器測試結(jié)果相對精確，反饋速度快，當(dāng)有環(huán)境因素發(fā)生變化時，報警系統(tǒng)檢測及時，同時，當(dāng)農(nóng)田出現(xiàn)區(qū)域性的干旱時，灌溉系統(tǒng)能及時的定量的進(jìn)行灌溉，實(shí)現(xiàn)了自動灌溉的效果。對于攝像頭圖像采集部分，攝像頭底座可360度旋轉(zhuǎn)，攝像頭可對周圍環(huán)境全方位監(jiān)測，整體效果良好。

6 結(jié)束語

本設(shè)計針對當(dāng)前熱門的ZigBee技術(shù)進(jìn)行了研究，從農(nóng)田種植環(huán)境實(shí)際出發(fā)，設(shè)計了以CC2530作為主控制器，51單片機(jī)作為輔助控制芯片的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田環(huán)境檢測系統(tǒng)，經(jīng)檢測，本系統(tǒng)達(dá)到了對農(nóng)田環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測，可向用戶實(shí)時反饋當(dāng)前的環(huán)境情況并可根據(jù)環(huán)境的改變而做出相應(yīng)的舉措。

參考文獻(xiàn)

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篇5

本設(shè)計是以AT89S52單片機(jī)為核心，包括數(shù)字式溫濕度傳感器的一套控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路、空氣溫度檢測、空氣濕度檢測、土壤溫度檢測、土壤水分檢測、鍵盤及顯示及控制電路等，對空氣中的溫濕度、土壤溫度以及土壤水分等的采集是通過數(shù)字式傳感器實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字傳感器監(jiān)測到的數(shù)值通過JM12864F顯示。同時，設(shè)置了4個按鍵控制卷簾電機(jī)，當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)值超出了系統(tǒng)所設(shè)定數(shù)值的上下限范圍時，單片機(jī)開始對電路進(jìn)行控制。該系統(tǒng)支持節(jié)電模式設(shè)置。節(jié)電模式包括空閑模式和斷電保護(hù)模式:空閑模式啟動時，單片機(jī)停止工作，而RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷工作繼續(xù);掉電保護(hù)模式啟動時，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位方可恢復(fù)正常。在掉電模式下，單片機(jī)的片內(nèi)程序存儲器允許重復(fù)在線編程，允許通過SPI串行口改寫數(shù)據(jù)，并將8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個芯片上。此時，單片機(jī)AT89S52便成為一個高效的微型計算機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是成本低、應(yīng)用范圍廣，并可以解決復(fù)雜的控制問題。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

1個大棚內(nèi)布置了3個采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)對大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度以及CO2濃度進(jìn)行采集。大棚的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一組采集模塊，共有3組采集模塊，每組采集模塊由若干個傳感器組成。數(shù)據(jù)采集模塊的作用和功能是利用單片機(jī)對各個傳感器進(jìn)行不間斷的巡回監(jiān)測，并將模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;單片機(jī)會將大棚內(nèi)每個數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)全都傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)上;子節(jié)點(diǎn)再將接收到的信息傳給主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)再根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)建立基于ZigBee的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。可見，在這個傳輸?shù)倪^程中子節(jié)點(diǎn)起到了對大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集以及轉(zhuǎn)換的作用，主節(jié)點(diǎn)起到了一個調(diào)節(jié)器的作用。主節(jié)點(diǎn)把子節(jié)點(diǎn)傳輸給它的數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)的控制核心部分單片機(jī)上，單片機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析進(jìn)而來控制卷簾電機(jī)、噴灌系統(tǒng)的開啟與閉合，合理地調(diào)控大棚內(nèi)作物生長的最適環(huán)境。系統(tǒng)流程圖。

2．1信息采集模塊信息采集模塊由單片機(jī)、數(shù)字溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、SM2802M土壤水分傳感器和A/D轉(zhuǎn)換5個模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水份、光照度及CO2濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和控制。

1)單片機(jī):AT89S52單片機(jī)的特點(diǎn)是功耗低，具有高性能的8位微控制器，采用其作為系統(tǒng)的核心部分。由于該單片機(jī)的芯片上具有8位的CPU和可編程Flash的性能，為系統(tǒng)提供了靈活有效的解決方案。此外，AT89S52單片機(jī)可降到0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選擇的節(jié)電模式軟件，即空閑模式和掉電保護(hù)模式。單片機(jī)還具有重復(fù)寫程序和記憶的功能，是一個高效的微型計算機(jī)，可解決一些復(fù)雜的控制問題。與其他單片機(jī)相比，需要的成本很低。

2)數(shù)字溫濕度傳感器:該傳感器采用的是DB420型智能傳感元件設(shè)計開發(fā)的，具有其他類似的傳感器不具備的特點(diǎn)，如測量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。傳感器的探頭采用銅燒結(jié)開孔護(hù)管，這種結(jié)構(gòu)透氣功能和防塵功能比較好。傳感器內(nèi)置的數(shù)字溫濕度傳感器可以將數(shù)字信號通過變送器內(nèi)部的中央處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出出來3)土壤溫度傳感器:數(shù)字傳感器采用的是DS18B20型數(shù)字傳感器，是由美國的DALLAS半導(dǎo)體公司推出的。這種傳感器與熱敏電阻相比具有直接讀出被測溫度和可以根據(jù)實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式的簡單編程方法的優(yōu)點(diǎn)，9位和12位的數(shù)字量分別是在93．75ms和750ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，且通過DS18B20讀出和寫入的信息只需一根單線接口完成。數(shù)據(jù)總線為溫度的變換提供一個功率，無需外接電源，總線也可以為DS18B20供電。因此，使用DS18B20型數(shù)字傳感器在簡潔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時，提高了系統(tǒng)的可靠性。4)SM2802M土壤水分傳感器:SM2802M土壤水分傳感器采用世界上最新的FDR原理制作，如圖4所示。與TDR型和FD型土壤水分傳感器相比，SM2802M土壤水分傳感器不僅在性能和精度上具有可比性，可靠性與測量速度要比TDR型和FD型更具優(yōu)勢。光照度傳感器的探頭采用的型號是GZD－015)A/D轉(zhuǎn)換模塊:A/D轉(zhuǎn)換模塊采用的是8路的ADC0809，具有逐次漸近的特性。其供電方式是采用單一的+5V電壓，同時片內(nèi)具有8選1的鎖存功能模擬開關(guān)。單片機(jī)采用中斷方式的接口電路來控制ADC。信號的傳輸是通過光照傳感器和CO2傳感器把非電的物理量轉(zhuǎn)換成電信號，然后把轉(zhuǎn)換成的電信號送到模擬轉(zhuǎn)換模塊ADC0809中，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號送到單片機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的處理。單片機(jī)通過I/O口由經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行存儲，并通過液晶顯示器將存儲的數(shù)據(jù)實(shí)時的顯示出來，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的功能。為了提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在單片機(jī)系統(tǒng)中加入了微處理器監(jiān)控器芯片，集成了看門狗電路和掉電保護(hù)電路。

2．2ZigBee無線傳輸模塊設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有以下9個優(yōu)點(diǎn):低功耗、低成本低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠和安全。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自上而下分為很多個層，具有代表性的是:物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。ZigBee網(wǎng)絡(luò)3種角色的設(shè)備分別為:協(xié)調(diào)器、匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)是通過星型網(wǎng)絡(luò)連接的，向指定節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時間是由單片機(jī)控制的;同時，單片機(jī)根據(jù)設(shè)置的溫度上下限值來給控制器發(fā)送消息，當(dāng)控制器接收到的消息之后立即傳給星型網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)再傳給單片機(jī)，然后由單片機(jī)做出相應(yīng)的處理。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先，將各種傳感器以及外部設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，對溫濕度的傳感器和光照傳感器進(jìn)行上下限數(shù)值的設(shè)置，將其他外部的設(shè)備初始化。初始化之后溫濕度傳感器和光照傳感器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于采集到的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，可直接用單片機(jī)來監(jiān)測環(huán)境值的變化;單片機(jī)將監(jiān)測到的數(shù)值進(jìn)行分析，將分析的溫度和濕度以及光照強(qiáng)度的最終值傳給液晶顯示器進(jìn)行顯示;顯示的分屏可以通過按鍵進(jìn)行改變，也可以通過按鍵對溫度和濕度以及光照的上下限值進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)溫濕度以及關(guān)照強(qiáng)度值超過了上下限值的時候，單片機(jī)會送出一個控制繼電器動作的標(biāo)志信號，進(jìn)而達(dá)到控制效果。軟件主程序流程圖。

4結(jié)語

篇6

摘要：我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位。近些年來，我國溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨著溫室種植技術(shù)的不斷推廣和普及，中小農(nóng)戶溫室種植越來越多，但由于我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化應(yīng)用技術(shù)普及較為緩慢。本文對溫室環(huán)境系統(tǒng)特點(diǎn)和控制進(jìn)行了分析與研究，以PLC為控制核心提出了溫度環(huán)境控制系統(tǒng)的總體設(shè)計思路，為相關(guān)工業(yè)設(shè)計提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；溫控系統(tǒng)；智能控制

一、引言

我國的溫室自動控制相關(guān)系統(tǒng)化研究起步較晚，設(shè)施農(nóng)業(yè)面積占世界設(shè)施農(nóng)業(yè)的70%，人均面積為268m2，僅次于西方農(nóng)業(yè)大國。我國設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)改革開放以來大量投入人力物流及相關(guān)政策導(dǎo)向，于80年代末期，90年代初才進(jìn)入設(shè)施農(nóng)業(yè)高速發(fā)展時期，結(jié)合我國國情及特點(diǎn)規(guī)模化和集約化是主要的發(fā)展方向。

二、環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目標(biāo)設(shè)計

控制目標(biāo)設(shè)計是溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計首先要解決的問題，控制目標(biāo)將直接決定控制系統(tǒng)針對的服務(wù)群體、推廣應(yīng)用應(yīng)用成本，是后續(xù)控制措施、控制方案、控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計的根本，起著綱領(lǐng)性的作用。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況以楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)小型農(nóng)戶的需求特點(diǎn)本系統(tǒng)的設(shè)計需求為控制系統(tǒng)精度高、控制功能靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)、人機(jī)界面友好、簡單可靠的一種溫室控制系統(tǒng)。本文研究一款一般設(shè)施農(nóng)業(yè)種植戶、中小農(nóng)業(yè)企業(yè)用得起的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，在選擇溫室環(huán)境控制對象時，主要根據(jù)實(shí)際情況，適可而止。利用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯控制、組態(tài)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面、高精度傳感器及通用電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的閉環(huán)控制。

2、措施設(shè)計

控制措施是實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的具體手段，為了實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)控的控制目標(biāo)，設(shè)計技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的控制措施至關(guān)重要。具體措施設(shè)計如下：

（1）土壤濕度控制措施

采用滴灌+噴灌方式實(shí)現(xiàn)。具體到溫室大棚中，如果有作物分區(qū)種植，可根據(jù)作物生長具體需求分別采用滴灌或噴灌方式。分作物（分片區(qū)）分別采用滴灌或噴灌，正好可以發(fā)揮PLC輸入輸出易于擴(kuò)展、程序方便修改的優(yōu)勢。

（2）空氣溫度控制措施

采用通風(fēng)+加溫方式實(shí)現(xiàn)。即溫度高時采用通風(fēng)方式降溫，溫度低時啟動加溫設(shè)備加溫。

在溫室建設(shè)中根據(jù)大棚規(guī)模面積、作物經(jīng)濟(jì)型選擇合適設(shè)備。

（3）空氣濕度控制措施

采用通風(fēng)+噴灌方式實(shí)現(xiàn)。即濕度高時采用風(fēng)機(jī)通風(fēng)方式排濕，濕度低時利用噴灌設(shè)備噴霧增濕。

（4）光照度控制措施

采用紅、藍(lán)兩色LED補(bǔ)光燈帶實(shí)現(xiàn)。燈帶紅藍(lán)光配比根據(jù)作物需要現(xiàn)場選配并安裝敷設(shè)。

3、溫室控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的控制功能，設(shè)計的控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(tǒng)包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照度傳感器、PLC可編程控制器、模擬量處理模塊、觸摸屏、植物保溫?zé)簟⒅参镅a(bǔ)光燈、噴灌泵及設(shè)備、滴灌泵及設(shè)備等。其中空氣溫濕度、土壤濕度、光照度等傳感器為系統(tǒng)提供溫室環(huán)境參數(shù)信息；MCGS觸摸屏做為人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整和監(jiān)控；三菱可編程控制器（PLC）是整個控制系統(tǒng)的核心；控制系統(tǒng)中有5個被控設(shè)備：植物保溫?zé)簟ED植物補(bǔ)光燈、通風(fēng)風(fēng)扇、噴灌泵、滴灌泵。

基于PLC的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)具有自動補(bǔ)光、自動滴灌、自動噴灌、自動保溫、自動通風(fēng)五大功能。系統(tǒng)有手動和自動兩種運(yùn)行模式，在手動模式下，可手動撥動開關(guān)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光、滴灌、噴灌、保溫、通風(fēng)的功能；在自動模式下，系統(tǒng)可由PLC控制，根據(jù)事先設(shè)定好的溫度、濕度、光照條件要求實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)光、自動滴灌、自動噴灌、自動保溫、自動通風(fēng)的功能。

該系統(tǒng)由空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照度傳感器、PLC可編程控制器、模擬量處理模塊、觸摸屏、植物保溫?zé)簟ED植物補(bǔ)光燈、通風(fēng)風(fēng)扇、噴灌設(shè)備、滴灌設(shè)備等組成。植物保溫?zé)粲糜谔岣邷厥噎h(huán)境的溫度，當(dāng)溫室內(nèi)的溫度低于設(shè)定值時會自動開啟，從而提高溫室的溫度；LED植物補(bǔ)光燈可在夜晚為溫室農(nóng)作物增加光照時間，加快其生長速度；通風(fēng)風(fēng)扇在溫室環(huán)境溫度超限或濕度超限時開啟，可起到降低溫度、濕度的作用；噴灌設(shè)備在空氣濕度低于下限時開啟，可增加空氣濕度；滴灌設(shè)備在土壤濕度低于下限時開啟，可增加土壤濕度。

系統(tǒng)中使用的空氣溫濕度傳感器用于檢測溫室環(huán)境的空氣溫度、空氣濕度；土壤溫濕度傳感器用于檢測溫室環(huán)境的土壤溫度、土壤濕度；光照度傳感器用于采集溫室環(huán)境中的光照度信息。系統(tǒng)的控制核心是FX2N-32MR三菱可編程控制器PLC，用于處理從傳感器采集的溫室環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、光照度信號，完成相應(yīng)的運(yùn)算和處理；MCGS觸摸屏是人機(jī)交互界面，不僅可將控制系統(tǒng)的如溫度、濕度、光照度等各種的信息顯示在觸摸屏上，還可以由用戶自由設(shè)定溫室環(huán)境的空氣溫度上下限、空氣濕度上下限、土壤溫度上下限、土壤濕度上下限等環(huán)境參數(shù)。

三、結(jié)束語

本文主要介紹了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)、控制措施、控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，并分析了控制系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能。控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度、光照度等四個溫室環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)這四個環(huán)境參數(shù)智能調(diào)控的措施是滴灌、噴灌、通風(fēng)、加熱和補(bǔ)光等五項。

參考文獻(xiàn)

[1]高職富.溫室環(huán)境控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].中國市場，2007：76-77.

篇7

本設(shè)計主控模塊采用基于Cortex-M3內(nèi)核的LM3S2948芯片，其支持最大主頻為50MHz的ARMCortex-M3內(nèi)核。該模塊為本設(shè)計的核心模塊，其和上位機(jī)之間通過RS232總線進(jìn)行串行通信，通過RS485總線同各個數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行通信，用以協(xié)調(diào)各個部件的工作狀況。系統(tǒng)為各個模塊分配不同的地址，方便對各個部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用模塊化設(shè)計和RS485總線標(biāo)準(zhǔn)方便施工現(xiàn)場安裝和系統(tǒng)控制。另外，在核心模塊上提供簡單的LCD12864液晶進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)及數(shù)據(jù)顯示，用以在手動控制的情況下及時觀察到設(shè)備的運(yùn)行情況。

二、硬件電路設(shè)計

（一）硬件的選取

本設(shè)計人機(jī)交互界面采用電腦安裝組態(tài)王6.55版軟件作為上位機(jī)軟件，6.55版組態(tài)王適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短。主控芯片采用LM3S-2948芯片，集成CAN控制器、睡眠模塊、正交編碼器、ADC、模擬比較器、UART、SSI、通用定時器，I2C、CCP等外設(shè)。傳感器包括溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、CO2氣體傳感器。溫濕度傳感器采用瑞士盛世瑞恩公司生產(chǎn)的SHT10溫濕度傳感器，該傳感器是一款溫濕度復(fù)合傳感器，含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出。傳感器內(nèi)部包括測濕元件和測溫元件；土壤型溫濕度探頭采用原裝進(jìn)口溫濕度傳感器為核心部件，可直接連接單片機(jī)使用。全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出；濕度測量范圍：0～100%RH；溫度測量范圍：-40～+123.8℃；可完全浸沒。

（二）CO2氣體檢測

在CO2氣體檢測中采用MG811型CO2氣體傳感器，該傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理，當(dāng)傳感器置于CO2氣體中時，該傳感器元件的加熱電壓由外電路提供，當(dāng)其表面溫度足夠高時，元件相當(dāng)于一個電池，其兩端會輸出一個電壓信號，其值與能斯特方程符合較好。在本設(shè)計中自行設(shè)計了一個CO2發(fā)生裝置，通過控制伺服閥門來控制反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體量，使其達(dá)到適合大棚內(nèi)作物生長的CO2濃度為800ppm至1500ppm百分比濃度，從而達(dá)到植物生長的最佳濃度。

（三）光照強(qiáng)度檢測

光照強(qiáng)度是植物的生長速度的一個重要參數(shù)，即植物表面吸收光輻射能的量，并非取決于光源數(shù)量。本設(shè)計通過光敏電阻檢測溫室外環(huán)境光線強(qiáng)度，并通過A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，以便于系統(tǒng)自動控制，溫室內(nèi)部照明的意義在于延長一天內(nèi)足夠多的光照強(qiáng)度，對生長期和秧苗質(zhì)量有巨大的影響。使用人造光源時，我們必須要選擇最接近于滿足植物光合作用條件的自然光。研究表明在波長為400~520nm的藍(lán)色光和波長為610~720nm的紅色光對光合作用影響最大。本設(shè)計采用紅色和藍(lán)色的高亮LED作為補(bǔ)充光照的光源。通過光敏電阻感知環(huán)境的光強(qiáng)度，從而確定是否補(bǔ)光，并且還可以人工設(shè)定補(bǔ)光的時間。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)上電后各個模塊開始自身初始化操作，初始化成功后通過485總線向主控模塊發(fā)送初始化成功數(shù)據(jù)；主機(jī)上電后驅(qū)動工業(yè)觸摸屏進(jìn)行顯示操作，并且等待各個模塊發(fā)送初始化成功數(shù)據(jù)，等待30秒后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，以免造成啟動失敗，如果有模塊異常產(chǎn)生，則會在觸摸屏上顯示，并發(fā)出報警信號，以便操作者檢修。

四、結(jié)語

篇8

【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng)；PLC；溫室

農(nóng)業(yè)從古至今一直是我國經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，在國家發(fā)展中占有重要的地位。隨著人們生活水平的提高，人們對農(nóng)作物的生命期、品種都有了更高的要求，如四季能吃到綠色菜以及買到想要品種的鮮花。因此溫室現(xiàn)在越建越多，建溫室的重要保證參數(shù)就是植物的生長要素，即光、溫度、濕度和CO2，本論文就是論述如何用PLC技術(shù)對溫室進(jìn)行控制。

一、確定控制系統(tǒng)方案

（一）控制對象

1.溫度

植物生長的溫度是在一個范圍內(nèi)，雖然最適宜溫度植物長得很快，但是往往因為消耗有機(jī)物太多，會出現(xiàn)長的細(xì)長現(xiàn)象。控制系統(tǒng)的控制溫度范圍要略低于植物最適宜溫度。

2.濕度

空氣的濕度太大會造成之無病蟲害，但是要保證空氣濕度低的同時要有充足的水分由土壤供給植物。

3.光照

植物生長需要光照，這樣才能進(jìn)行光合作用，不同植物的光補(bǔ)償點(diǎn)不同，因此事宜溫度范圍也不同，同時人們可以控制光照時間和強(qiáng)度來控制植物的生長速度。

4.CO2

植物生長需要光合作用，光合作用需要的一個物質(zhì)是CO2，植物的光合作用隨著CO2的濃度增大而增強(qiáng)，但是濃度過高反而會抑制植物光合作用，因此二氧化碳濃度的控制范圍要與農(nóng)作物相適應(yīng)。

（二）PLC控制系統(tǒng)

PLC是可編程邏輯控制器，它可以通過編程方式完成傳統(tǒng)的繼電器-接觸器的邏輯控制，PLC的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，價格便宜，開發(fā)容易，性價比高，缺點(diǎn)就是人機(jī)交流困難。

（三）控制系統(tǒng)的方案確定

本控制系統(tǒng)方案為各參數(shù)的自動控制，當(dāng)傳感器檢測的溫濕度、光照以及CO2超過范圍時，PLC控制系統(tǒng)會發(fā)出指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)如天窗的電動機(jī)等動作，使溫室參數(shù)達(dá)到用戶要求。

二、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

（一）控制要求

隨時檢測控制對象溫濕度、CO2濃度和光照參數(shù)，并保證參數(shù)在控制范圍內(nèi)。控制系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

（二）硬件設(shè)計

1.根據(jù)控制系統(tǒng)輸入輸出的點(diǎn)數(shù)，對PLC型號進(jìn)行選擇

（1）PLC開關(guān)量點(diǎn)數(shù)確定

（2）根據(jù)PLC開關(guān)量點(diǎn)數(shù)確定PLC型號

由上表可得輸出點(diǎn)13個，輸入點(diǎn)14個，考慮到應(yīng)有輸入輸出端子的余量，選擇S7-200cpu226型，其有24/16個I/O口。

2.模擬量模塊的選型

對于溫濕度、CO2和光強(qiáng)傳感器都輸出模擬信號，需要PLC擴(kuò)展模擬量模塊。溫濕度傳感器分別要在溫室的上下南北四處檢測，因此輸入10路模擬量信號，因此選擇EM235模塊3個（此模塊4AI/1AO）。

3.溫濕度、光照以及CO2檢測元件選型

選擇HMD40溫度傳感器，Poi88-c光強(qiáng)傳感器，TGS4160型CO2傳感器以及A1203型濕度傳感器。

4.進(jìn)行電路設(shè)計

控制電路簡圖如圖2所示，主電路同傳統(tǒng)繼電器-接觸器電路。

（三）軟件設(shè)計

以光照的控制為例，比較光照傳感器的值，如果超過上限，則打開遮光簾，如果在范圍內(nèi)，則遮光裝備動作不變，低于下限值收起遮光裝備并且打開光照燈。

最后，要進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。調(diào)試時先啟動控制電路，斷開主電路，等確定程序和控制電路無誤后，在進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。

參考文獻(xiàn)

篇9

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；智能灌溉；風(fēng)速傳感器；溫濕度傳感器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

每當(dāng)夏季來臨，學(xué)校草坪上，公園草地上等地方總能看到許多噴頭不停地轉(zhuǎn)圈，噴灑出水霧，滋潤著花草。然而，市面上應(yīng)用的噴灑系統(tǒng)存在著很多的不足之處。大體上存在三方面的缺陷。首先，市面上的噴灑系統(tǒng)噴水覆蓋的半徑是固定的。這將嚴(yán)重導(dǎo)致土壤水分的不均勻。其次，噴灌系統(tǒng)的噴灌時間一般為系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的固定時間段，或人為控制噴灑時間。人們只能靠經(jīng)驗滿足花草相應(yīng)的水分需求。一方面，這導(dǎo)致花草的水分需求未能得到合適的供給，另一方面，這很可能造成水資源的浪費(fèi)或人力的浪費(fèi)。最后，市面上噴灌系統(tǒng)所噴灑的水的形態(tài)一般分為霧狀或者水柱狀。霧狀水，能夠均勻地灑落在噴灌區(qū)域，更好地讓花草吸收，然而卻受風(fēng)力影響比較大，容易被吹散；柱狀水，單位體積的水量較大，不容易受風(fēng)的干擾，其缺點(diǎn)是，噴灑水的區(qū)域相對集中。

為了克服以上問題，本文設(shè)計了一個基于51單片機(jī)的智能噴灑系統(tǒng)，能夠根據(jù)土壤濕度的實(shí)時情況動態(tài)調(diào)節(jié)噴頭噴水的半徑；根據(jù)環(huán)境風(fēng)速的大小，動態(tài)選擇采用F狀噴灑還是柱狀噴灑的方式進(jìn)行噴灌；當(dāng)土壤的濕度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值條件下，噴灌系統(tǒng)能夠自動關(guān)閉，不需要人工干預(yù)。

1.系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本文設(shè)計了一個基于51單片機(jī)的智能噴灑系統(tǒng)。選用型號為STC89C51的單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，采用DHT11溫濕度傳感器獲取土壤的濕度和溫度，風(fēng)速的大小值則是由BCQ-FS-TTL8三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器采集。同時，噴頭電機(jī)由普通直流電機(jī)構(gòu)成，并搭配L298N電機(jī)驅(qū)動，通過單片機(jī)輸出PWM波控制電機(jī)的方向及轉(zhuǎn)向。整個系統(tǒng)的框架圖如圖1所示。

2.硬件設(shè)計

2.1 DHT11溫濕度傳感器

DHT11傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)（電路結(jié)構(gòu)簡單，所需總線單元較少），與51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信和同步。該傳感器濕度的測量范圍為：20%～90%RH，測濕精度為±5%RH；同時，溫度的測量范圍為：0～50℃，測溫精度為±2℃。

單片機(jī)采集一次DHT11傳感器數(shù)據(jù)的時間大約為4ms，每次傳輸40bit的數(shù)據(jù)。40bit的數(shù)據(jù)格式包括8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和。其中，8位校驗和的數(shù)據(jù)為8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)所得結(jié)果的末8位，用于檢驗數(shù)據(jù)的傳輸是否正確。

2.2 BCQ-FS-TTL8三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器

三杯風(fēng)傳感器結(jié)構(gòu)相對簡單，通過3片小碗狀口來捕獲風(fēng)速的強(qiáng)弱，風(fēng)速越大，3片小碗狀口轉(zhuǎn)速越快，反之，其轉(zhuǎn)速越慢。工作原理大致如下：每轉(zhuǎn)一圈，信號引腳輸出8個脈沖，單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)除以6，即為對應(yīng)的風(fēng)速值（單位是m/s）。啟動風(fēng)力為：0.2m/s，即風(fēng)速超過閾值0.2m/s，信號引腳才會有脈沖輸出。

該傳感器共3根引腳，一根電源線接VCC（+5V），一根地線接GND，（與單片機(jī)共地），另外一個信號線接單片機(jī)的P3.2（INT0外部中斷），目的是為了通過外部INT0中斷測量風(fēng)速所對應(yīng)的脈沖個數(shù)。

此外，為了增加傳輸?shù)木嚯x，需要上拉一個10K左右的電阻，電阻的一端接在VCC電源線上，另外一端接在信號引腳上，目的是為了增大驅(qū)動電流。

2.3 L298N電機(jī)驅(qū)動

L298N電機(jī)驅(qū)動為2路H橋驅(qū)動，可以同時驅(qū)動兩個直流電機(jī)（即可同時控制兩個噴頭，若想要控制多個噴頭，可以采用并聯(lián)的方式，把多個噴頭分成2組）。

該驅(qū)動模塊共有4根控制引腳，與51單片機(jī)分別相連。其中，IN1和IN2控制電機(jī)A，IN3和IN4控制電機(jī)B。值得注意的是L298N驅(qū)動需要較高的外接電源（+12V～+24V）進(jìn)行供電。

該驅(qū)動具有兩種工作模式，一方面，當(dāng)使能ENA（控制電機(jī)A）、ENB（控制電機(jī)B）時，可以分別從IN1、IN2輸入PWM（Pulse Width Modulation）信號來控制電機(jī)A的轉(zhuǎn)速和方向。同時，可以分別從IN3、IN4輸入相同PWM脈沖信號來控制電機(jī)B的轉(zhuǎn)速和方向。另一方面，若禁止ENA和ENB使能時，即可通過單片機(jī)向IN1、IN2、IN3、IN4四個引腳輸入邏輯1和邏輯0電平來控制電機(jī)A和電機(jī)B，其中，IN1（IN3）輸入為邏輯1，IN2（IN4）輸入為邏輯0，電機(jī)A（B）正轉(zhuǎn)，IN1（IN3）輸入為邏輯0，IN2（IN4）輸入為邏輯1，電機(jī)A（B）反轉(zhuǎn)，其他方式下，電機(jī)A（B）均不轉(zhuǎn)。

2.4 直流電機(jī)

直流電機(jī)具有兩個引腳，分正極引腳和負(fù)極引腳。其中，若正極引腳接恒定邏輯高電平，負(fù)極引腳接恒定邏輯低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；若正極引腳接恒定邏輯低電平，負(fù)極引腳接恒定邏輯高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；若正負(fù)極均接恒定邏輯高電平或者恒定邏輯低電平，電機(jī)不轉(zhuǎn)。

當(dāng)然，也可以往正負(fù)極輸入PWM信號，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM（Pulse Width Modulation），簡稱脈寬調(diào)制，信號頻率不變，脈沖高電平的寬度可以調(diào)節(jié)，不同占空比（高電平的時間占整個周期T的比重）的脈沖信號作用于直流電機(jī)，單位時間內(nèi)等效的電壓（電流）值大小不同，電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于電壓（電流）值的大小，因此，單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖信號，可以控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.軟件設(shè)計

軟件部分的設(shè)計可以采用模塊化的思路，采用C語言進(jìn)行程序的編寫。主要包含定時器模塊，風(fēng)速傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、L298N驅(qū)動+直流電機(jī)模塊。基于51單片機(jī)智能噴灑系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

圖2展示了整個系統(tǒng)軟件的流程。在主函數(shù)Main中循環(huán)執(zhí)行整個系統(tǒng)的操作。其中，采用定時器0中斷完成精確的定時操作，每隔5min（人為設(shè)定參數(shù)）讀取DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，定時器0工作在模式1，為16位定時計數(shù)器，單片機(jī)接收到濕度數(shù)據(jù)，并與預(yù)先設(shè)定好的濕度閾值進(jìn)行比較，若濕度低于閾值，控制L298N驅(qū)動，使電機(jī)繼續(xù)維持轉(zhuǎn)速，若接收的數(shù)據(jù)大于濕度閾值，則控制L298N驅(qū)動，即單片機(jī)往L298N驅(qū)動控制引腳（控制電機(jī)的引腳）輸入PWM脈波，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得噴頭噴灑的水覆蓋不到相對于的土壤面積。

同時，采用定時器1完成10min的定時（工作方式同定時器0），系統(tǒng)讀取三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器的風(fēng)速值，然后與預(yù)先設(shè)定好的風(fēng)速閾值（例如，6級風(fēng)速，10m/s）進(jìn)行比較，若風(fēng)速大于閾值，則控制繼電器，使其工作在水柱狀噴灑模式，反之，則工作在默認(rèn)工作模式，即水霧狀工作模式。

結(jié)語

基于51單片機(jī)的智能噴灑系統(tǒng)克服了市面上傳統(tǒng)噴灑系統(tǒng)的諸多弊端，在充分滿足花草水分需求的條件下，節(jié)約了寶貴的水資源。同時，系統(tǒng)一旦初始化完畢（人們提前設(shè)定好參數(shù)，如風(fēng)速的上限閾值，土壤濕度的下限閾值，每隔多長時間讀取傳感器的數(shù)值，即設(shè)定相應(yīng)的定時器參數(shù)等等參數(shù)），就不需要人為干擾，提供了極大的便捷式服務(wù)。

⒖嘉南

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篇10

關(guān)鍵詞:CAN總線 SHT11 虛擬儀器 LabVIEW

1 研究背景

伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,我國農(nóng)業(yè)也逐漸地從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向高產(chǎn)、 優(yōu)質(zhì)、 高效為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。而蔬菜大棚,自然也離不開現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)。通過國內(nèi)外大量的科學(xué)實(shí)驗和生產(chǎn)的實(shí)踐證明,環(huán)境的控制對蔬菜生產(chǎn)起到非常重要的作用。對于蔬菜大棚內(nèi)環(huán)境的控制主要是對環(huán)境溫度、濕度和土壤水分等進(jìn)行測量和控制。

在國內(nèi),較多的是單因子監(jiān)測控制,控制主要采用傳統(tǒng)的一些方法,精度和穩(wěn)定性方面與國外還有一定差距。在國外,目前,荷蘭、以色列、美國等發(fā)達(dá)國家可以根據(jù)溫室作物的生長要求和特點(diǎn),對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動調(diào)控。而目前,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個以智能傳感器、自動控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主要內(nèi)容的多學(xué)科交叉的新興技術(shù)。本文采用CAN總線設(shè)計了一個高精度、高速度、穩(wěn)定可靠的虛擬測控網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)平臺虛擬測控系統(tǒng)設(shè)計

分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),我們把網(wǎng)絡(luò)分為兩層:頂層為處于集中管理地位的主站節(jié)點(diǎn);下層為處于現(xiàn)場執(zhí)行與監(jiān)測的從站節(jié)點(diǎn)。通過CAN總線適配卡或轉(zhuǎn)換卡(該系統(tǒng)采用微型并口CANmini),采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),把現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中主站和從站(測控裝置)互連起來,并按現(xiàn)場總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層協(xié)議,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的功能。本測控系統(tǒng)同一時間需要監(jiān)控的參量主要有電機(jī)蔬菜大棚的實(shí)時溫度和濕度,下面從兩個方面介紹發(fā)送/接受協(xié)議。

(1)上位機(jī)發(fā)送下位機(jī)接受協(xié)議。在BasicCAN模式下,CAN總線每幀最多可以攜帶8個字節(jié)的數(shù)據(jù),如下表1所示。數(shù)據(jù)源ID代表本楨數(shù)據(jù)的來源,即上位機(jī)ID。字節(jié)2(命令字)代表上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送的命令,當(dāng)命令字設(shè)定為各個參數(shù)時對應(yīng)的數(shù)據(jù)由字節(jié)3、字節(jié)4表示,如表2所示。下位機(jī)接受到上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)后,將根據(jù)下述各表格決定執(zhí)行的動作。

(2)下位機(jī)發(fā)送上位機(jī)接受協(xié)議。下位機(jī)通過CAN總線向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包括溫度和濕度信息,如表3所示。上位機(jī)接受到下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)后將按照此下表來解析數(shù)據(jù)。

虛擬儀器主要是加強(qiáng)了軟件在儀器中的應(yīng)用,盡可能應(yīng)用計算機(jī)軟件去取代傳統(tǒng)儀器中的電路或元件,但是測量中信息的獲取仍然離不開硬件的支持。考慮到系統(tǒng)的靈活性和通用性,本系統(tǒng)的硬件的構(gòu)成方式是由上述智能節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控程序就可以建立一個完整的虛擬儀器監(jiān)試網(wǎng)絡(luò),即:“PC機(jī)+CAN總線通信+N個智能節(jié)點(diǎn) +N個蔬菜大棚”。 該系統(tǒng)是將下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)采集到被測量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,在計算機(jī)軟件控制下,通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī),調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊計算原始數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的在線處理和離線處理。而上位機(jī)則通過CAN總線向下位機(jī)發(fā)送各種控制命令,以實(shí)現(xiàn)對蔬菜大棚實(shí)時控制的目的。

2.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本文采用LabVIEW來開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序,實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚溫濕度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)存儲、報表的生成與打印等功能。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的可擴(kuò)展和易維護(hù)性,需要在系統(tǒng)軟件設(shè)計階段仔細(xì)設(shè)計軟件結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)軟件能夠適應(yīng)新的硬件模塊和算法,采用通用框架處理方法把軟件系統(tǒng)分成四個部分:系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲及報表生成與打印四個部分。該系統(tǒng)功能框圖如下:

其中:系統(tǒng)配置包括設(shè)備連接、啟動/復(fù)位CAN和參數(shù)設(shè)置;數(shù)據(jù)采集與處理包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能模塊;數(shù)據(jù)庫管理軟件部分包括建立數(shù)據(jù)庫的建立、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表及數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲三部分;報表生成與打印部分包括生成和打印報表兩部分。

2.3 下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計

下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)是由溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊組成,通過對每一個蔬菜大棚進(jìn)行溫濕度測量,將BCD碼為00到70的溫度采樣值和00到99的濕度采樣值(分別對應(yīng)為溫度-20℃到50℃和濕度0%到99%RH),在液晶顯示屏上顯示出來。同時通過CAN總線實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的實(shí)時通信,得到各個大棚溫濕度的最新采樣值,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和處理,以備查詢分析及打印報表等。要求系統(tǒng)溫濕度偏差小于5℃,這樣才能更加準(zhǔn)確的提供一個良好的溫濕度環(huán)境,從而適合蔬菜生長。其硬件電路圖如下:

圖2 下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)硬件電路

3 結(jié)語

本文設(shè)計了基于CAN總線的蔬菜大棚溫濕度測試網(wǎng)絡(luò),它是由下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、CAN總線通信和上位機(jī)實(shí)時監(jiān)控管理構(gòu)成一套完整的虛擬儀器測試網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)具有操作簡單、可靠性高、可維護(hù)性好等特點(diǎn)。

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