基于單片機的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u13449基于單片機的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計案例 122141.1溫室大棚環(huán)境參數(shù)要求 1255401.1.1溫度 238851.1.2濕度 2113461.1.3光照強度 3143261.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 3266861.1.1信息采集和控制模塊總體設(shè)計 4103641.1.2傳輸模塊 5216131.1.3應(yīng)用模塊 61.1溫室大棚環(huán)境參數(shù)要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，蔬菜、瓜果等農(nóng)作物的種植種類及品質(zhì)對于滿足人民群眾生產(chǎn)生活，豐富人們對農(nóng)產(chǎn)品多樣化的需求具有重要意義，作物的生長取決于自身種苗的遺傳基因和它的生長環(huán)境，這里所指的環(huán)境即所處的環(huán)境因子，維持作物正常生長所具備的要素。對種質(zhì)資源進行保護和開發(fā)，可以通過雜交、提純、誘變等途徑進行篩選，能較好的提高作物對周圍環(huán)境的適應(yīng)性和抗逆性，從而使得在相同環(huán)境條件下能農(nóng)產(chǎn)品獲得更多的產(chǎn)量。然而農(nóng)作物的健康生長除了取決于自身遺傳特性之外，還取決于其生長環(huán)境，即影響作物產(chǎn)量除種子本身以外，還有對作物健康生長影響的外部環(huán)境因子，主要包括光照、溫度、濕度和大氣等。在露天培育條件下，大風、霜凍、旱澇和高溫等惡劣環(huán)境難以避免，在作物的不同生長階段都會對其造成極大影響，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。為了改變農(nóng)業(yè)“靠天吃飯”，人們進行了有效的探索，溫室大棚應(yīng)運而生。溫室大棚在一定的封閉空間內(nèi)，可對局部的環(huán)境條件可以通過一系列的設(shè)備對生長環(huán)境因子進行調(diào)控，使其保持在適宜水平，創(chuàng)造有利于作物生長的環(huán)境，從而有效提高作物數(shù)量和質(zhì)量。溫室大棚生產(chǎn)過程中需要調(diào)控的環(huán)境因子主要還是溫度、濕度及光照強度等。1.1.1溫度溫度是溫室大棚環(huán)境因子里最關(guān)鍵的，作物只有在一定的溫度范圍內(nèi)才能夠生長，它的光合作用過程和呼吸作用過程都與其生長環(huán)境溫度息息相關(guān)。所有作物都有對應(yīng)的最高、最適和最低溫度“三基點”要求，即溫度上限、溫度下限和最適溫度，在最高溫度和最低溫度時，作物生長發(fā)育停止，高于耐受的最高和最低溫度時，作物就會受到傷害甚至致死，只有在最適溫下，作物的生長速度最快，長勢也最為良好，產(chǎn)出率最高。作物在不同生理過程中對溫度的要求也不同，例如，光合作用要求的最適溫度范圍為20~25℃，呼吸作用要求的最適溫度范圍為36~40℃，根據(jù)該生理特點，不同作物及同一作物的不同生長發(fā)育階段都有不同的最佳溫度。此外，一般作物生長還需要保持一定的晝夜溫差，白天溫度較高，有利于光合速率的提升，為作物生長提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)，晚上溫度較低，能減少呼吸作用對物質(zhì)的消耗。智能變溫管理模式可將一天分為若干個時間段，每個時間段內(nèi)將溫度維持在作物適宜的水平上，有利于作物茁壯成長，因此溫室大棚溫度調(diào)控非常關(guān)鍵，需要我們對所栽培作物在不同生育時期的最適溫度科學(xué)把握，并依此制定科學(xué)的溫度管理模式。溫度的調(diào)控主要包括加溫、降溫和保溫。加溫主要通過熱水采暖、熱風采暖或電熱采暖等方式，熱水采暖正常使用鍋爐、管道、水泵、散熱片等設(shè)備，熱風采暖通過熱風機或熱風爐實現(xiàn)，電熱采暖使用電熱管（絲）將電能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過傳導(dǎo)、對流、輻射等方式改變環(huán)境溫度，采用何種加溫方式需要依據(jù)溫室類型和用途決定。溫室大棚主要通過通風、遮陽和水分蒸發(fā)的方式來降低內(nèi)部溫度，其中，通風操作簡便，可通過開啟通風口的自然通風和開啟通風風機的負壓通風來實現(xiàn)，遮陽過程通過開啟內(nèi)遮陽網(wǎng)和外遮陽網(wǎng)遮陽面積大小來調(diào)節(jié)，水分蒸發(fā)降溫可通過開啟濕簾水泵或噴霧設(shè)備實現(xiàn)。保溫是維持大棚室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，保溫性能取決于大棚的材料和密封程度。需要注意的是溫度和濕度之間具有強烈的耦合關(guān)系，加溫和降溫都會影響到室內(nèi)濕度變化，制定控制策略時需要考慮它們之間的相互影響，使溫度和濕度保持在合理水平。1.1.2濕度水分是作物生長發(fā)育所需的極其重要的環(huán)境因子，作物光合作用、呼吸作用和蒸騰作用等生理過程都離不開水，沒有水一切生育進程都無法進行。作物含水量一般為60%~80%，空氣濕度和土壤濕度共同決定溫室大棚內(nèi)部空氣的水分含量。濕度過大易引起病害和根部活力減弱，濕度過小會導(dǎo)致作物萎蔫。不同作物在不同生長時期對水分的要求不同，空氣濕度和土壤濕度的調(diào)控應(yīng)根據(jù)作物種類和生長階段的不同而進行。溫室大棚本身是一個密閉的小氣候，空氣濕度一般處于較高的水平，所以空氣濕度的調(diào)節(jié)一般以降濕為主。溫室大棚通風是降低空氣濕度最簡單有效的方式，一定是開戶背風側(cè)的通風口，好處是不會使棚內(nèi)溫度瞬間落差較大，此外，也可通過除濕器降濕、吸濕材料吸附空氣中過多的水分等途徑和方式。土壤濕度的調(diào)節(jié)主要依靠滴灌和噴灌等先進的灌溉技術(shù)精確調(diào)節(jié)所需要的灌溉量，當然要依據(jù)土壤的類型而定。1.1.3光照強度光照強度對作物光合作用具有重要影響。光照強度和光合作用強度在一定的條件下呈正比例關(guān)系，光合作用積累有機物的速率隨著光照強度的增大而增加，但光照強度超過臨界值“光飽和點”后，該速率將不再加快而是保持在一定水平，主要是植物葉片表面的氣孔會關(guān)閉，減少了二氧化碳與葉綠素的接觸機會。當光照強度降低到某一水平后，光合作用產(chǎn)生的新物質(zhì)少，作物的生長發(fā)育就受到限制，需要通過人工補光操作提高光照強度，該水平上的光照強度稱為“光補償點”。同種植物的光飽和點和光補償點也不是固定不變的，當二氧化碳濃度增高或溫度降低時，光的補償點會下降；當二氧化碳濃度下降時，光飽和點則會升高。光照強度過低或過高都不利于作物生長。在生產(chǎn)過程中，我們可以通過補光操作和遮光操作對光照強度進行調(diào)節(jié)，前者主要利用人工光源在自然光不足的情況下提高室內(nèi)光照強度或在光照時間不足情況下延長光照時間，后者利用遮陽網(wǎng)等措施減小室內(nèi)光照強度，以免作物長時間處于強光和高溫的條件下。1.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計深入分析溫室大棚內(nèi)部主要環(huán)境因子——溫度、濕度和光照強度，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，制定系統(tǒng)的總體控制方案，確定了控制系統(tǒng)的3層體系架構(gòu)，實現(xiàn)溫室大棚內(nèi)空氣溫濕度的全面感知、傳輸和智能控制?；赟TM32的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層三部分組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-1所示。感知層由信息采集模塊和控制模塊組合而成。利用溫室大棚內(nèi)布置的溫度傳感器、濕度傳感器和光照度傳感器采集溫濕度和光照強度的信息，以此作為溫室大棚內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)的依據(jù)。傳輸層設(shè)備將感知層的各種設(shè)備連接到農(nóng)業(yè)引擎，是整個物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞，負責感知層獲取的信息處理并傳遞到應(yīng)用層，保證所傳信息的可靠性和及時性，同時傳輸層還負責傳遞控制溫室設(shè)備的指令到感知層的控制模塊。傳輸層可以支持廣泛的連接接入，方便各種終端接入。應(yīng)用層由瀏覽器、電腦客戶端和手機APP等各種應(yīng)用服務(wù)器組合而成，其作用是對感知層采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理融合，同時在數(shù)據(jù)庫存儲，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口。圖2-1控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖1.1.1信息采集和控制模塊總體設(shè)計信息采集模塊和控制模塊如下圖2-2所示。使用溫濕度傳感器、控制設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)控采集溫室大棚中的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，傳感器設(shè)備可通過RS485總線連接網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)將其連接到物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)在云端展示和管理數(shù)據(jù)。信息采集模塊的主要功能是對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息，即溫度、濕度和光照強度進行全面感知并實時采集，以此作為溫室大棚自動控制和智能決策的依據(jù)。控制模塊可以實現(xiàn)兩方面的功能，一方面是從信息采集模塊獲取環(huán)境因子的實時數(shù)據(jù)，將獲得的數(shù)據(jù)傳輸至計算機，另一方面負責接收計算機發(fā)出的溫室設(shè)備控制指令，控制溫室設(shè)備運行，對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境進行調(diào)節(jié)。圖2-2信息采集和控制模塊信息采集模塊可實時采集溫室大棚內(nèi)對農(nóng)作物生長影響顯著的溫度、濕度和光照強度3種環(huán)境因子。環(huán)境參數(shù)信息和設(shè)備狀態(tài)信息的獲取有多種途徑，可以選擇直接利用溫室大棚內(nèi)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)的觸摸屏直接顯示，可以傳輸?shù)郊叵到y(tǒng)的監(jiān)控管理平臺上獲取，也可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和手機APP在線查詢。溫室設(shè)備控制模塊的控制方式如下圖2-3所示，有兩種控制方式，分別是手動控制和自動控制。手動控制方式又可以采用兩種不同的方法，一種手動控制方式可以脫離現(xiàn)場控制器，直接通過手動按鈕控制設(shè)備啟停，另一種則是以現(xiàn)場控制為基礎(chǔ)，通過如觸摸屏、集控管理平臺、手機APP和遠程瀏覽器等多種方式進行的手動控制[]。自動控制利用閾值設(shè)定的方式，以溫度、濕度、光照強度等多種環(huán)境因子的采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在集控計算機中實現(xiàn)。通過多種控制方式的協(xié)同工作，將溫室大棚環(huán)境保持在適宜水平。圖2-3溫室設(shè)備控制方式1.1.2傳輸模塊傳輸模塊如圖2-3所示，設(shè)計采用嵌入式ZigBee無線通信技術(shù)，可以實現(xiàn)計算機與信息采集和控制模塊以及客戶端之間的通信。圖2-3傳輸模塊框架圖通信方式按種類可以分為有線通信和無線通信兩種。有線通信相較于無線通信而言數(shù)據(jù)傳輸速率高、傳輸過程穩(wěn)定可靠，但如果要在擁有較多數(shù)目的監(jiān)測點、廣泛分布并且地形不平坦的環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)，有線通信的成本會大幅提高，前期的施工難度和后期的設(shè)備維護工作量兩方面也大大提高，因此根據(jù)溫室大棚這一應(yīng)用背景，采用無線通信方式更加合理。無線通信主要有無線局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)兩種通信方式。目前，無線局域網(wǎng)技術(shù)通常采用Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi和IrDA四種，分別比較如表2-1所示。表2-1短距離無線通信技術(shù)對比技術(shù)類型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信距離/m傳輸速率/Mbps功耗/mA成本Bluetooth8<101~230mA高ZigBee<6553550~200<0.25幾十毫安較低Wi-Fi32<100<11約1W很高IrDA21~2<16約10mA很低由此表可知，ZigBee在短距離無線通信技術(shù)中最有優(yōu)勢，它的性能表現(xiàn)為自建能力高、很強的存儲能力、能源消耗少以及使用周期長，同時ZigBee的開發(fā)成本也相對較低。雖然傳輸速率與其他短距離無線通信技術(shù)相比較不占太大優(yōu)勢，可是當環(huán)境中通行量相對少時，ZigBee無線通信傳輸幾乎能做到不受干擾。因此，相較于藍牙等其他無線傳輸技術(shù)而言，Zigbee無線通信技術(shù)短距離、低功耗、低速率的特點，能夠很好地應(yīng)用于消費類電子、家庭、智能建筑等場合中。實際智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳對于數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離的要求并不高，可以優(yōu)先采用Zigbee無線通信技術(shù)。1.1.3應(yīng)用模塊應(yīng)用模塊的主要功能是對獲取的溫室大棚的各種信息進行處理，獲取準確可靠的農(nóng)作物生長環(huán)境信息，作為溫室大棚控制模塊的自動控制和運行的決策依據(jù)，應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)處理過程如圖2-4所示。圖2-4數(shù)據(jù)信息處理過程計算機在收到傳輸層傳輸?shù)男畔⒑?/p>