基于ARM的農業大棚管理系統

胡志潔　沈瑞冰　張秀芳

摘 要：當前較多的農業大棚仍采用傳統的人工操作和控制方法，出現較多弊端。管理粗放、技術設施落實不到位、智能化水平低導致單位生產效率低、投入產出比不高、農業產品質量安全水平起伏較大。本設計提出了基于LPC4357的農業大棚管理系統，使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測農業大棚的溫濕度和光照值，通過ZigBee將數據傳送給主控，并將最終數據顯示在LCD屏上。當大棚環境中的溫度高于設定值時，自動開啟大棚通風系統，進行通風換氣降溫；當土壤濕度低于設定值時，啟動大棚內的灌溉系統進行灌溉，當濕度達到設定值時則自動停止，實現智慧農業。

關鍵詞：LPC4357；ZigBee；農業大棚；傳感器

中圖分類號：TP212；S626.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-0-02

0 引 言

根據我國的國情，農業較工業而言占據較大比重。但我國農業工業化水平較低，傳統農業大棚較多。傳統的農業大棚存在以下弊端：

（1）傳統農業大棚基本都采用人工管理，管理程序多且復雜，同時人工管理投入大，容易產生錯誤，易造成大棚溫度過高、過低、過潮、過干等；

（2）由人工管理的農業大棚無法實時監測大棚的狀態，對大棚進行實時管理；

（3）傳統大棚燃料消耗較大，導致成本較高，降低了收益。

傳統農業大棚生產效率低、成本高、產量低等特點已無法滿足工業信息化時代的要求。隨著我國人口逐漸增多，人民生活條件也逐漸改善，傳統大棚已不能滿足現代人的需求，開發智能管理大棚勢在必行！

1 系統方案介紹

系統基于LPC4357，使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測農業大棚的溫濕度和光照值，通過ZigBee將數據傳送給主控，并將最終數據在LCD上顯示出來。

本設計系統框圖如圖1所示。本設計由數據采集模塊、ZigBee無線傳輸模塊、主控模塊和自動調節模塊等組成。數據采集模塊將采集到的溫濕度和光照信息通過ZigBee協議棧傳送給與LPC4357連接的ZigBee節點；ZigBee節點再通過串口將數據發送至LPC4357主控模塊；如果某一大棚的參數超過設定值，液晶屏會出現紅色告警，如果溫度過高則開啟風扇進行通風降溫，若土壤濕度過低，則啟動自動灌溉裝置進行灌溉。

2 硬件設計

2.1 主控模塊介紹

LPC4357擁有Cortex-M4處理器與32位的ARM，最高運行頻率為168 MHz，內部集成1 MB 閃存，192+4 KB的SRAM，可外擴Micro SD卡存儲，6路串口，工作溫度范圍為0 ℃ ～ 40 ℃，工作電壓為5 V。

由PF9控制風扇繼電器，驅動降溫控制；由PF10控制土壤灌溉繼電器，驅動自動灌溉裝置。

2.2 ZigBee無線通訊模塊介紹

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據的傳輸。

ZigBee無線傳輸模塊以CC2530芯片為核心進行相互間的通訊。本設計有5個ZigBee節點，其中1個為接收，其余4個為發送。4個發送節點分別發送大棚溫度、濕度、光照和土壤濕度值。

2.3 各傳感器介紹

本設計用到的傳感器包括溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11、光敏電阻以及土壤濕度傳感器。這些傳感器負責采集信息，并將采集到的信息分別通過4個ZigBee發送模塊發送給接收模塊。

2.4 串口電路

發送端通過串口將數據發送至無線協議棧中，通過無線發送給接收端，接收端接收到信息后通過串口發送給LPC4357主控制板，主控制板接收、處理串口信息進行界面顯示，進行數據處理后，LPC4357通過一個IO口發送控制信號，以此來驅動自動灌溉裝置或降溫裝置。

3 軟件設計

3.1 軟件環境介紹

本設計運用Keil公司研發的RealView MDK軟件，該編程軟件被全球超過十萬嵌入式工程師或學者使用，是ARM公司最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發工具。它集成了業界領先技術，融合了中國多數軟件工程師所需要的特點和功能。μVision4集成開發環境支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex-M3內核處理器，自動配置啟動代碼，具有強大的性能分析功能。

3.2 子節點ZigBee采集傳感器

ZigBee接收流程如圖2所示。先檢測傳感器是否存在或完好，若存在或完好，讀取傳感器信息并進行轉換，最終將數據寫入無線協議中并發送。

3.3 ZigBee接收流程

ZigBee接收流程如圖3所示。接收端接收到數據后進行數據幀頭匹配，完成之后對數據進行判斷，從而控制自動調節模塊。

4 系統測試

與一般溫室大棚相似，應設定參數滿足其光照、滴灌、大棚內二氧化碳濃度、濕潤度以及土壤酸堿度等。測試周期控制為一周，采樣時間間隔設定為1小時，本系統采用模擬測試，搭建按比例縮小的農作物溫室大棚，對環境參數采集24組數據，對溫度、濕度、光照、土壤濕度進行監測。

通過自動灌溉裝置與降溫裝置將數據控制在設定范圍。一周監測數據如圖4所示，光照平均值如圖5所示。

5 結 語

對一周的數據進行分析可以看出，本設計可以實現農業大棚監測及控制，解決了農業大棚看護不科學、不及時，從而造成農業產量下降，甚至無法收獲農作物的問題。

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