农业温室大棚监控系统的整体设计方案

一、项目概述

1.1 引言

近年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、水位等环境因子对作物的生产有很大的影响。传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，存在大量的资源浪费，违背了环境保护的主题。目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。

针对目前大棚发展的趋势，提出了一种农业温室大棚监控系统的设计。本项目通过温度传感器DS18B20，湿度传感器DHT11和水压传感器D3B来采集大棚内温度、湿度和水位等信息情况，并用无线透传模块LSDRF4717M04发送到温室大棚主控制台，主控制台通过液晶N5110显示大棚内温度，湿度和水位情况，农户可以通过按键，自己设定植物生长的最适温度，湿度及水位范围，一旦发现温度、湿度及水位超出设定的范围，则通过GPRS模块将大棚内温度、湿度和水位等信息发送到农户手机中。农户根据经验，在很远的地方回复短信给温室大棚主控制台，主控制台根据农户的命令来执行相应的措施。另外，我们基于TCP/IP和WEB的嵌入式以太网控制器，实现网页监测、控制。

1.2 项目背景/选题动机

温室产业及相关技术在国内外的发展速度很快。如在荷兰的阿姆斯特丹 RAI展览馆每年11月举办一次国际花卉展览会，2003 年就有来自世界各国的 477 个厂商展示了各自的产品和实力。荷兰、日本、以色列、美国、韩国、西班牙、意大利、法国、加拿大等国是设施农业十分发达的国家，温室以大型温室为主。这些高水平大型温室的环境控制系统能够根据传感器采集室温、叶湿、地湿、室内湿度、土壤含水量、溶液浓度、水位、风速、风向、以及植物作物生长状态等有关参数，结合作物生长所需最佳条件，有效调节有关设备装置，将室内温、湿、光、水、肥、气等诸因素综合协调调节到最佳状态。

国内外温室大棚的对比

1.科技含量低，中国的设施园艺无论是在温室设施本身还是在栽培管理方面，大多数设施结构简单，栽培管理以传统的经验为主，距离数量化和指标化的要求还有相当大的差距。中国温室市场上目前使用的不少产品，在高品质领域主要以国外产品为主，遮明网的生产上以瑞典、以色列的高品质产品为主，温室环境控制系统领域上国内的产品同样与国外有相当大的差距，而且国内现有的一些科研成果与真正地推广应用之间还有一段差距。

2．环境调控技术与设备落后，缺乏理论基础与量化指标。由于绝大多热园艺设施类型过于简易，因此对环境的调节和控制十分有限。张福墁教授认为，塑料大棚往常在遇到灾害性天气时受损，无法生产。即使在正常天气，大部分塑料大棚所能进行的环境调控手段也仅限于通风和避风。日光温室遇到寒流或连阴(雪)天，光照不足失去热源和光源时，室内光照、温度、湿度都会出现不适台植物生长的逆境，轻则减产，重则绝收(如从2008年1月10开始的长达1月之久的连续降雪天气)，造成不同程度的经济损失。

3．缺乏与我国相适应的温室优化控制软件。目前，我国引进温室的控制系统大多运行费用过高，而自行研制的控制系统又缺乏相应的优化软件，多数仍使用单因子开关量进行环境因子的调节。而实际上温室内的光照、气温、地温、湿度及水位等环境要素是在彼此关联着的环境中对作物的生长产生影响的，而且环境要素的时间变化和空间变化都很复杂，当改变某一环境因子时常会把其他环境因子变到一个不适宜的水平上。因此，结合温室内的物理模型、作物的生长模型和温室生产的经济模型，开发出一套与我国温室生产现状相适应的环境控制优化软件是非常重要和十分迫切的。

4．中国的温室建设上盲目性很大。大量的项目在相应的配套设备、人才不到位的情况下，盲目地从国外引进高新技术，盲目地低水平仿制国外产品。温室种植管理上，产品种植前经过市场考察的很少，往往造成产品积压，带来不应有的损失。相关的种植管理方面的研究距离理论化、科学化、系统化地指导生产实践还有不少差距。温室企业在产品的售后配套服务方面尚不够完善，企业的品牌意识、诚信意识不够相当温室控制软件的研究上与国外企业相比有相当大的差距。

技术发展现状：

现代温室中常见的能自动控制的调控机构有:顶部通风窗、侧面通风窗、外遮阳帘幕、内遮阳帘幕、轴流通风机、降温湿帘、人工补光灯、二氧化碳施肥器、加热设备、喷雾系统及熏蒸设备。控制器综合调节各个机构，使系统在运行中节约能源的同时保证室内气候满足植物生长需求。使用的控制器可以有很多选择，如单片机、工控机、PLC、通用PC机等。控制器之间可以通过局域网或现场总线进行信息交换。国内外研究学者对控制系统和控制算法做了大量的研究。

我国温室产业起步比较晚。自70年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了40套左右的现代化温室成套设备。虽然这些温室技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严重问题，主要有以下几点:引进价格高，运行经济效益差;技术要求过高，要求经营者既要懂农业技术，熟悉英文，还要掌握电脑操作和机械运营和维护;运营模式没有与中国的实际结合起来，不适合于我国的气候特征。所以，研究开发符合我国国情、产生明显经济效益并适用于大范围推广应用的自动控制温室系统己经迫在眉睫。基于以上的种种原因，我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度、光照等单因子控制技术的研究，并逐步推出既适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件要求的温室控制系统。

二、需求分析

2.1 功能要求

                                                                  

图1 系统架构

用户可以通过上位机软件、手机短信，查询大棚温度、湿度和水位并控制大棚薄膜、排风口、进出水阀、加热器的打开与关闭。主控器将温度、湿度和水位等信息发送至上位机软件或用户手机。也可将温度和水位调整至设定值,实现闭环控制，从而实现了对农业大棚的高效管理、对自然资源的高效利用。用户也可以通过网址访问大棚的情况，通过网络来对大棚实施监控。

网络部分我们将使用AT32UC3A0512片内集成的10/100 Mbps的以太网MAC接口来实现网络的监控。初步方案，我们将网络的数据单独用一个单片机来实现，再通过UART来实现个模块间的数据的交互。不过在不影响主控单片机的反应速率和执行效率下，我们会尽量把网络部分和主控部分集成在一块单片机内，以此来降低产品的成本与功耗。

2.2 性能要求

农业温室大棚监控系统的研究与开发

在保温性能方面，该大棚模型加温耗能少，降低能耗，温室大棚透光材料覆盖面积较大，薄膜保温性好。

在耐用性方面，该大棚模型使用寿命比较长，传感器使用寿命长，抗干扰性较强。

在数据传输方面，有数据检验，传输的波特率比较，使数据有效传输。

在能耗方面，该大棚模型使用功耗低的AVR系列中的AT32UC3A0512，在不使用外设时关闭电机驱动芯片的使能脚。

在数据保存方面，该大棚模型可以记录历史数据，方便查询。

在远程操控方面，该大棚模型可以通过手机短信和网络来实行远程操控。

在环保方面，该大棚模型能耗低，材料使用塑料棚，铝棒，保鲜薄膜等。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

         

                                                          系统硬件结构框图 

           

                                                                                       网络模块

3.2 硬件平台选用及资源配置

硬件平台选用

主控器选用AT32UC3A0512；

AT32UC3A0512主要特性如下：

高性能，低功耗AVR32UC 32位微控制器

精简单周期RISC指令集，含DSP指令集

“读-改-写”三步操作和位元处理操作

1.49 DMIPS/MHz性能表现

在FLASH中66 MHz下，高达91 DMIPS的运行速度(1等待状态)

在FLASH中33 MHz下，高达49 DMIPS的运行速度(0等待状态)

内存保护单元

多层次总线系统

通过为提高性能而设的独立总线上，实现高性能数据传输

15个外设DMA通道，提高外设通信速度

内部高速FLASH

512K Bytes

单周期访问速度高达33 MHz

预取缓冲，优化了指令执行效率，达到最高速度

4ms页面编程时间和8ms整片擦除时间

100,000次写周期，15年数据保存能力

FLASH安全锁定和用户自定义配置区

内部高速SRAM，全速单周期访问

64K Bytes

外部存储器接口，用于AT32UC3A0扩展

兼容SDRAM/SRAM存储器总线(16位数据总线和24位地址总线)

中断控制器

自动向量低延时中断服务，带可编程优先级

系统功能

电源时钟管理，含内部RC时钟和1个32KHz晶振

两个多用途振荡器和双锁相环(PLL)，允许独立CPU频率，不受USB频率影响

看门狗定时器，实时时钟定时器

通用串行总线

Device 2.0全速，以及On-The-Go(OTG)低速和全速

通过专用的DMA通道实现灵活的端点配置和管理

片上收发器，含上拉电阻

10/100 Mbps的以太网MAC接口

802.3以太网媒体访问控制器

支持媒体独立接口(MII)和简化MII(RMII)

1个三通道16位定时/计数器(TC)

3个外部时钟输入，PWM，接收和多种计时能力

1个7通道16位脉宽调制控制器(PWM)

4个通用 同步/异步 接收/发送器(USART)

独立波特率发生器，支持SPI，IrDA和ISO7816接口

支持硬件握手操作，RS485接口和调制解调线路

2个主/从串行外设接口(SPI)，带片选信号

1个同步串行协议控制器

支持I2S协议和通用基于框架协议

1个主/从2-wire接口(TWI)，兼容400kbit/s I2C

1个8通道10位模数转换器

16位立体声比特流

采样速率最高可达50 KHz

片上调试系统(JTAG接口)

Nexus Class 2+，运行控制，非强加数据和程序跟踪

100脚 TQFP(69 GPIO引脚)，144脚 LQFP(109 GPIO引脚)

5V输入容差I/Os

3.3V单电源供电或1.8V-3.3V双电源供电

资源配置

使用AT32UC3A0512中的10/100 Mbps的以太网MAC接口 ，802.3以太网媒体访问控制器。

2个USART，AD，定时器和外部中断。

3.3系统软件架构

GPRS模块程序流程介绍：

首先是GPRS初始化，包括AT指令，文本格式接收；然后判断是否有短信或者是有数据发送过来；然后将手机接收到的命令转发给GPRS主控器，将接收到的数据在N5110上面显示；最后GPRS主控器通过无线模块发送命令给采集数据的主控器。

主系统程序流程介绍：

首先是系统初始化，包括各个模块和IO口的设置；然后温度，湿度和水位传感器采集数据，并在N5110上面显示；然后判断是否有命令发送过来，并判断是PC机发送的还是GPRS主控器发送的；然后检测是什么命令，并根据命令来执行不同的动作，如打开1号大棚，打开进水电磁阀；最后将采集到的数据发送给GPRS主控器或PC机。

上位机程序流程介绍：

首先是窗体初始化；然后判断有无串口，并设置串口格式；然后判断有无按键按下，有则执行该按键下面的指令，发送指令给采集主控器；最后显示来自采集主控器发送过来的数据，温度、湿度和水位。

3.4 系统软件流程

         

                                                    程序运行流程图

3.4 系统预计实现结果

实现本项目所有指标：

●采用温度传感器DS18B20，湿度传感器DHT11和水压传感器D3B来正确采集大棚内温度、湿度和水位

●采用无线透传模块LSDRF4717M04实现大棚内温度、湿度和水位信息传送给温室大棚主控制台

●农户设定植物生长的最适温度、湿度和水位范围，本系统智能识别环境的变化，并自动调节环境于植物生长的最适环境，实现系统闭环控制环境。

●主控制台能够显示大棚内温度、湿度和水位，并可以通过GPRS模块发送短信给农户

●主控制台能够根据农户的命令采取相应措施

●通过网络实现对农业大棚进行监控

●通过上位机软件和手机短信来控制大棚

此外，我们将尽可能在此基础上进行扩展，形成一个完善可行的农业温室大棚监控系统。