蔬菜大棚智能测控系统

蔬菜大棚智能测控系统

第一章绪论

1.1 选题的背景及研究意义：

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。

目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能......

第2章检测电路设计

2.1基于嵌入式Web服务器的智能温室监控系统：

现代化的温室监控系统用来实时采集温室内温度、湿度、光照、土壤温度、CO2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数，根据种植作物的需求提供各种声光报警信息。当温湿度超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备。现有的温室监控系统采用无线方式的居多，且传输范围有限，价格比较昂贵，与其他系统的兼容性不好。本设计提出基于以太网的温室监控系统，使用Luminary公司的LM3S102处理器，在其有限的内存空间上构建精简的TCP ／IP协议栈，实现通用的嵌入式Web服务器，实现基于以太网的智能温室大棚监控功能。

1 系统设计：

系统由传感器子系统、Web服务器子系统、外设控制子系统、人机接口子系统4个部分组成。基本结构如图1所示。

系统工作流程简述如下：通过传感器子系统采集，获得温室中的光照、温度、湿度等关键信息后处理加工，变成可以经TCP／IP协议传输的以太网数据包。数据传输采用监控终端计算机主动获取的方式，可以始终获取，也可以在需要的时候获取。监控终端计算机只需具备通用的IE浏览器，即可访问嵌入式Web服务器的控制界面，查看每一个温室监控节点的数据信息，实现对大棚电动卷帘机、温室电热器、植物生长灯、微管喷滴灌等系统的实时控制。

本文从4个部分介绍系统的设计与实现，先从硬件角度构建主要的传感器子系统、Web 服务器子系统、外设控制子系统，然后从软件角度出发，设计实现精简的TCP／IP协议栈。1．1 传感器子系统：

考虑到LM3S102接口有限，传统的模拟传感器需要A／D转换后方可使用，不适合本系统。设计选用I2C接口的数字传感器SHT10，该传感器将外界环境的湿度、温度信息采集以后存储在自身内存中，将其挂接在LM3S102处理器的I2C总线上实现数据的读取。在后续部分可以看到，I2C总线上还挂接了用来扩展I／O口的专用芯片。温度与湿度传感器电路如

图2所示。

图3是获取外界光照条件的方案。设计选用廉价的光电管，当光照强度大时，光电管导通电流大，从而在VIN_N端得到更低的电压。VIN_N端和 LM3S102内置的模拟比较器相接，将采集到的数据存于RAM中，和SHT10采集到的湿度、温度信息一起，由TCP／IP协议封装发送。

1．2 Web服务器子系统：

为了构建Web服务器子系统，必须找到合适的网络功能实现方法。如图4所示，系统选用SPI接口的网络芯片ENC28J60实现网络MAC和PHY的功能，充分利用LM3S102的外设接

口。TPOUT和TPIN端送往隔离变压器，外接通用的RJ45网口。后续部分将介绍在此硬件平台上TCP／IP协议的实现。

1．3 外设控制子系统：

为了实现对温室自动卷帘的远程智能升降控制，设计采用PWM控制步进电机的方法。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制非常简单。接口芯片MPC17529用来驱动步进电机。在实际运用中，可采用各种方法增大后级电路的驱动能力，以实现对重型卷帘门的自如控制。图5为电机控制电路的实现方法。

由于LM3S102的I／O口有限，本设计采用I2C接口扩展I／O口的专用芯片PCA9554。挂接在I2C总线上的该芯片可以扩展出8路GPIO，在演示时采用用8盏LED灯来表示温室电热器、植物生长灯、微管喷滴灌、气体肥料释放机等温室常用设备。实际应用时加上继电器电路以后便可以方便地实现对温室中诸多科技农业控制系统的实时控制。电机控制电路如

图6所示。

经过各子系统的硬件设计，LM3S102的片上接口与片内资源得到了充分的利用。

1．4 设计实现精简的TCP／IP协议栈：

嵌入式Web服务器运行的目标系统大多是各类专用设备，内存资源和存储器资源非常有限，它通常作为一种监控、管理手段去控制和配置各种电子设备，实现设备的智能化和信息

化。嵌入式Web服务器的应用系统框架如图7所示。