基于ARM的農(nóng)業(yè)大棚管理系統(tǒng)

胡志潔　沈瑞冰　張秀芳

摘 要：當(dāng)前較多的農(nóng)業(yè)大棚仍采用傳統(tǒng)的人工操作和控制方法，出現(xiàn)較多弊端。管理粗放、技術(shù)設(shè)施落實不到位、智能化水平低導(dǎo)致單位生產(chǎn)效率低、投入產(chǎn)出比不高、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平起伏較大。本設(shè)計提出了基于LPC4357的農(nóng)業(yè)大棚管理系統(tǒng)，使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度和光照值，通過ZigBee將數(shù)據(jù)傳送給主控，并將最終數(shù)據(jù)顯示在LCD屏上。當(dāng)大棚環(huán)境中的溫度高于設(shè)定值時，自動開啟大棚通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)行通風(fēng)換氣降溫；當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時，啟動大棚內(nèi)的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定值時則自動停止，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。

關(guān)鍵詞：LPC4357；ZigBee；農(nóng)業(yè)大棚；傳感器

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

0 引 言

根據(jù)我國的國情，農(nóng)業(yè)較工業(yè)而言占據(jù)較大比重。但我國農(nóng)業(yè)工業(yè)化水平較低，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚較多。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚存在以下弊端：

（1）傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚基本都采用人工管理，管理程序多且復(fù)雜，同時人工管理投入大，容易產(chǎn)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(nóng)業(yè)大棚無法實時監(jiān)測大棚的狀態(tài)，對大棚進(jìn)行實時管理；

（3）傳統(tǒng)大棚燃料消耗較大，導(dǎo)致成本較高，降低了收益。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)效率低、成本高、產(chǎn)量低等特點已無法滿足工業(yè)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(tǒng)大棚已不能滿足現(xiàn)代人的需求，開發(fā)智能管理大棚勢在必行！

1 系統(tǒng)方案介紹

系統(tǒng)基于LPC4357，使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度和光照值，通過ZigBee將數(shù)據(jù)傳送給主控，并將最終數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來。

本設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖1所示。本設(shè)計由數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無線傳輸模塊、主控模塊和自動調(diào)節(jié)模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的溫濕度和光照信息通過ZigBee協(xié)議棧傳送給與LPC4357連接的ZigBee節(jié)點；ZigBee節(jié)點再通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至LPC4357主控模塊；如果某一大棚的參數(shù)超過設(shè)定值，液晶屏?xí)霈F(xiàn)紅色告警，如果溫度過高則開啟風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降溫，若土壤濕度過低，則啟動自動灌溉裝置進(jìn)行灌溉。

2 硬件設(shè)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(nèi)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(fēng)扇繼電器，驅(qū)動降溫控制；由PF10控制土壤灌溉繼電器，驅(qū)動自動灌溉裝置。

2.2 ZigBee無線通訊模塊介紹

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)的傳輸。

ZigBee無線傳輸模塊以CC2530芯片為核心進(jìn)行相互間的通訊。本設(shè)計有5個ZigBee節(jié)點，其中1個為接收，其余4個為發(fā)送。4個發(fā)送節(jié)點分別發(fā)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(shè)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(fù)責(zé)采集信息，并將采集到的信息分別通過4個ZigBee發(fā)送模塊發(fā)送給接收模塊。

2.4 串口電路

發(fā)送端通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線協(xié)議棧中，通過無線發(fā)送給接收端，接收端接收到信息后通過串口發(fā)送給LPC4357主控制板，主控制板接收、處理串口信息進(jìn)行界面顯示，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，LPC4357通過一個IO口發(fā)送控制信號，以此來驅(qū)動自動灌溉裝置或降溫裝置。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件環(huán)境介紹

本設(shè)計運用Keil公司研發(fā)的RealView MDK軟件，該編程軟件被全球超過十萬嵌入式工程師或?qū)W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(fā)工具。它集成了業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，融合了中國多數(shù)軟件工程師所需要的特點和功能。μVision4集成開發(fā)環(huán)境支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex-M3內(nèi)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(jié)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)寫入無線協(xié)議中并發(fā)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(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀頭匹配，完成之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，從而控制自動調(diào)節(jié)模塊。

4 系統(tǒng)測試

與一般溫室大棚相似，應(yīng)設(shè)定參數(shù)滿足其光照、滴灌、大棚內(nèi)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(shè)定為1小時，本系統(tǒng)采用模擬測試，搭建按比例縮小的農(nóng)作物溫室大棚，對環(huán)境參數(shù)采集24組數(shù)據(jù)，對溫度、濕度、光照、土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測。

通過自動灌溉裝置與降溫裝置將數(shù)據(jù)控制在設(shè)定范圍。一周監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示，光照平均值如圖5所示。

5 結(jié) 語

對一周的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，本設(shè)計可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測及控制，解決了農(nóng)業(yè)大棚看護不科學(xué)、不及時，從而造成農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降，甚至無法收獲農(nóng)作物的問題。

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