農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索——智能溫室大棚的研究

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1、張彬：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索目　　　　錄農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索11智能大棚的硬件系統(tǒng)設(shè)計11.1基本結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)的設(shè)計21.2接口電路設(shè)計32智能大棚的軟件系統(tǒng)設(shè)計63溫室大棚應(yīng)用小結(jié)94結(jié)束語10參考文獻(xiàn)11致謝詞1211張彬：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索11張彬：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索——智能溫室大棚的研究農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，即在大棚控制系統(tǒng)中，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器、光傳感器、二氧化碳傳感器等設(shè)備，檢測環(huán)境中的溫度、相對濕度、PH值、光照強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分、二氧化碳濃度等物理量參數(shù)，通過各種儀器儀表實(shí)時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證農(nóng)作物有一

2、個良好的、適宜的生長環(huán)境。遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)使技術(shù)人員在辦公室就能對多個大棚的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測控制。采用無線網(wǎng)絡(luò)來測量獲得作物生長的最佳條件，可以為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，達(dá)到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。大棚蔬菜能提供及時、反季節(jié)的新鮮蔬菜，其市場前景良好。但是大棚蔬菜的管理非常復(fù)雜，大棚蔬菜對環(huán)境溫度、濕度，光照的要求很高，要求菜農(nóng)具備較強(qiáng)的專業(yè)蔬菜種植水平。大棚蔬菜的人力投入太多，尤其是對于反季節(jié)蔬菜的管理，基本上要求全天候值守管理。人力的大量投資會造成管理成本的增加，對于種植水平較低的農(nóng)戶來說，種植大棚蔬菜可能很難獲利。如何在降低投資的基礎(chǔ)上，減少

3、人力資本，完成蔬菜大棚的增值創(chuàng)收成為當(dāng)前農(nóng)戶的迫切需求。物聯(lián)網(wǎng)是指物體通過裝入射頻識別設(shè)備、紅外感應(yīng)器、GPS或其他方式行連接[1]，然后通過移動通信網(wǎng)絡(luò)或其他方式接入到互聯(lián)網(wǎng)，最終形成智能網(wǎng)絡(luò)，通過電腦或手機(jī)實(shí)現(xiàn)對物體的智能化管理和信息采集分析。結(jié)合Internet發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能蔬菜大棚，可以在有限資金投入的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚的科學(xué)化管理，提高農(nóng)業(yè)增收。這種蔬菜大棚采用傳感器來替代人工管理，使用基于Internet的物聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)精確而專業(yè)的蔬菜管理，放寬了菜農(nóng)的蔬菜種植水平，使得不具備專業(yè)知識的人員都可實(shí)現(xiàn)大棚蔬菜的種植，從而拓寬致富

4、道路，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)創(chuàng)收。1智能大棚的硬件系統(tǒng)設(shè)計該智能大棚控制系統(tǒng)以16位MCU為主控制器，通過兩套溫度、濕度、光敏傳感器，對大棚內(nèi)外的溫度、濕度、光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時采集，通過A/D轉(zhuǎn)換，把信號送往MCU進(jìn)行處理[3]。在CPU內(nèi)部Flash存有一個小型的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)庫，通過對兩套傳感器采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析對比，最終做出決策，系統(tǒng)自動發(fā)出指令，控制大棚內(nèi)的熱循環(huán)、采光、噴淋等子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的動作；或根據(jù)LCD上顯示的信息，通過鍵盤采取干預(yù)性的發(fā)出控制指令，從而達(dá)到控制大棚內(nèi)部環(huán)境，便于農(nóng)作物的生長的目的?？刂频脑敿?xì)指標(biāo)分別為：（1）大棚內(nèi)的溫度基本保持在30～35℃；11張彬：

5、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索（2）光強(qiáng)基本保持在6～12格的范圍之內(nèi)；（3）濕度基本保持在45%～75%。1.1基本結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)的設(shè)計該智能大棚采用MSP430為主控制器[4]，用來總體協(xié)調(diào)控制整個系統(tǒng)，對內(nèi)部A/D采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與內(nèi)部設(shè)定的數(shù)據(jù)庫比較，根據(jù)設(shè)定的各參數(shù)發(fā)出指令控制采光、照明、熱循環(huán)、噴淋子系統(tǒng)，來改變大棚內(nèi)部的環(huán)境。同時，還可利用MSP430來驅(qū)動液晶屏，實(shí)時地顯示大棚內(nèi)外的各環(huán)境參數(shù)。由于本系統(tǒng)主電源提供的是5V直流電，而MSP430最大工作電壓是3.3V，所以本系統(tǒng)利用TPS70302來給單片機(jī)供電。本系統(tǒng)采用兩塊TMP275溫度傳感器，來采集大棚內(nèi)外的

6、溫度值。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)見圖1。圖1系統(tǒng)體總框架11張彬：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索1.2接口電路設(shè)計本系統(tǒng)的接口電路主要涉及主控部分、驅(qū)動電路部分、液晶屏幕和鍵盤部分、傳感器系統(tǒng)部分4個模塊。主控制部分主要集成了MSP430、TPS70302、JTAG接口以及復(fù)位電路等[5]。在該電路上，TPS70302主要負(fù)責(zé)電平轉(zhuǎn)換，將5V電平轉(zhuǎn)換為3V。為了保證制版的可靠性及擴(kuò)展性，可將MSP430主控器的所有引腳都通過排針引出來。主控部分的實(shí)際電路見圖2。圖2主控制部分實(shí)際電路驅(qū)動電路部分通過MSP430的P2端口輸出高低電平并利用ULN2003來控制各水泵風(fēng)扇的工作。為便于觀察水泵的工

7、作狀態(tài)，在每個泵機(jī)的兩端并聯(lián)了一個LED指示燈。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)見圖3。11張彬：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索圖3驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)液晶屏與鍵盤部分利用P1端口的中斷來實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，鍵盤為3×3的布局。P4端口為液晶屏的8位數(shù)據(jù)口，P5.0～P5.4為液晶屏的5個控制端口。液晶屏與鍵盤部分的電路如圖4所示。11張彬：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的探索圖4液晶屏與鍵盤部分電路本系統(tǒng)采用兩套傳感器，濕度和光強(qiáng)利用MSP430內(nèi)部A/D通過P6.0～P6.3的4個端口進(jìn)行多通道序列采集[6]，溫度通過P3.1～P3.1的IIC總線進(jìn)行實(shí)時的采集。傳感器系統(tǒng)的連接圖見圖5。11張彬：農(nóng)