基于無線傳感技術的農業大棚智能控制系統設計

毛潭　張勇杰　李玏一　周幫平　呂壘平

【摘 要】介紹了一種基于無線傳感技術的數據采集和控制系統方案，實現農業大棚的自動化控制，對大棚環境中的各種信息進行采集。設計了基于ARM的主控模塊、信號處理模塊、電源模塊、LCD模塊、無線通信模塊等硬件平臺。開發了節點設備程序、嵌入式系統應用軟件和上位機組態軟件。系統通過模擬測試，結果驗證了方案設計的可靠性和實時性，可滿足農業信息化建設要求。

【關鍵詞】無線傳感；ARM處理器；組態監控軟件；農業大棚；嵌入式系統

【Abstract】A data collection and control system solutions based on wireless sensor technology was proposed， to achieve automatic control of agricultural greenhouses and a variety of information gathering greenhouse environment. The hardware platform of terminal control system was designed， including central control unit， signal processing module， power modules， LCD modules， and wireless communication module. A node device， embedded system application software and PC configuration software was developed. Through the simulation test results verified the real-time performance and reliability of the system design， in order to satisfy the requirement of the construction of agricultural information.

【Key words】Wireless sensor； ARM processor； Configuration and monitoring software； Agricultural greenhouses； Embedded systems

0 引言

我國各地的經濟發展水平、環境條件差異較大，存在農業機械信息化生產能力落后、土地利用程度不高等方面的問題，導致農業發展水平落后。同時，我國農業生態環境狀況逐步擴大惡化范圍、資源配置不合理。鑒于在農業生產過程中嚴重浪費資源和破壞生態環境的現象，人們越來越關注農業發展的模式。隨著時代發展，農業科技技術不斷創新，充分利用理論和科學技術，是緩解農業與資源及生態環境矛盾的有效途徑。建立無線網絡監控平臺，對農業監測點進行全面監管和精準調控，可以組建農業的規范化和網絡化管理模式，形成農業物聯網的綜合信息管理系統[1]。促進農業發展方式的轉變，不但可改善生態環境，而且各類農業資源可以得到有效利用，實現可持續發展目標。本文主要根據項目建設的要求，設計一種結合嵌入式單片機和組態監控軟件兩種工程裝備技術的平臺，對農業大棚影響的幾個因素進行精準管理和統計。

1 系統硬件結構

系統硬件組成如圖1所示，主要包括一個主控模塊、信號處理模塊、電源模塊、LCD模塊、無線通信模塊等。

1.1 主控模塊

嵌入式控制系統選用的主控芯片為16位ARM Cortex-M3處理器STM32F103RET6。引腳為64位、內存容量512KB，封裝類型為LQFP，工作溫度達到-45℃～80℃。

1.2 信號處理模塊

傳感器輸出4mA-20mA電流信號，I/V轉換過程采用精密電流環接收方式，選用RCV420芯片，轉換成0-5V電壓輸出信號。D/A數模轉換芯片選用AD421，實現16位的數字輸入信號轉換成模擬4mA～20mA的電流輸出信號。電磁閥由于是線圈組成，在通斷過程中產生感應電壓，為防止斷電后對電路構成沖擊破壞，增加一個反向二極管IN4001，構成回路，防止對電路電壓產生干擾，提高系統的穩定性。

溫室大棚中的蔬菜，需要一定強度的光照促進光合作用，提高產量。在大棚中適當增強光照能促進其生長。根據選用光照燈的型號和電壓要求，設計最大電流為1A的PWM控制電路。選用具有PWM脈寬調光功能的SD42511芯片，設計最大輸出1A的驅動電流電路。電路原理圖如圖2所示：

1.3 電源模塊

STM32處理器內部具有多路A/D模數轉換擴展功能，其輸入電壓轉換信號范圍為0～3.3V，使用12V鋰電池供電電源，要實現對它的電壓監控，需要采用間接方式，使用高精度的電阻串聯分壓方法。選用MC34063芯片采用開關反壓電路提供-12V電壓給RCV420。選用封裝為SOT-223的LM1117系列芯片，轉換得到5V和3.3 V電壓。放在芯片的輸出端置一個10uF的鉭電容，改善電路中的瞬態響應和穩定性。旁路中增加0.1uF的瓷片電容，去耦消弱電路毛刺。電路原理圖如圖3圖4所示：

1.4 LCD模塊

LCD顯示采用1602顯示輸出數據，采用基于HD44780字符型液晶芯片。電路原理圖如圖5所示：

1.5 無線通信模塊

根據設計要求，無線傳輸網絡選用為自動化控制數據傳輸而建立的短距離ZigBee無線網絡，ZigBee無線短距離傳輸模塊具有低功耗、操作靈活、等電位測量數據無線傳輸、組網方便、響應速度快等突出特點[2]，適合應用在農業大棚的數據傳輸。ZigBee射頻技術利用2.4G頻段來進行傳遞數據信息，安全可靠的實現終端發送或響應指令。采用符合IEEE802.15.4標準的CC2530無線射頻收發模塊，使用免申請2.4G的頻段，采用加密的標準為AES 128，直接序列擴頻。

2 系統軟件設計

控制系統軟件包括節點設備程序、嵌入式系統應用軟件和上位機組態軟件。節點設備主要完成系統中的執行命令和數據采集傳輸的作用。嵌入式系統應用軟件主要實現數據存儲、系統通信、人機交互、自動控制等功能。上位機組態軟件主要實現用戶登錄、數據查詢、圖像展示、運行狀態監測等功能。系統數據信息處理流程如圖6所示。節點設備采用的操作系統為μC/OS-II，監控組態軟件開發使用組態王Kingview6.55[3-7]，核心板STM32F103RET6處理器編程軟件采用KeiluVision4。

3 系統調試

為實現工程目標，利用在線仿真調試工具，對系統各子功能分別進行調試，監測軟件工程中的關鍵變量值。上位機組態軟件通過和節點設備采集數據通信應用驗證，系統運行穩定可靠。軟件運行截圖如圖7所示：

4 結論

基于無線傳感技術開發了農業大棚智能監控系統，通過數據采集和信息傳輸，實時監控終端設備的運行狀態，有效的對資源進行管理和統計分析。通過上位機KingView組態軟件對系統中的終端設備監控，可以有效的掌握現場的信息；通過嵌入式硬件設備、工作臺和上位機KingView組態軟件的聯合測試實驗，該系統具有低功耗，信息傳輸穩定，操作簡單等優點，對農業大棚信息化建設具有一定的現實意義。

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[責任編輯：朱麗娜]