基于51單片機(jī)的智能農(nóng)業(yè)大棚的實(shí)踐應(yīng)用

耿玉菊

（河北衡水學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院， 河北 衡水 053000）

針對(duì)目前農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展的趨勢(shì)，提出了一種智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控管理的功效?；?1單片機(jī)的智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)由前端部分來(lái)完成對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)因子的含量的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)因子包括溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度等環(huán)境參數(shù)。監(jiān)測(cè)因子通過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后，通過(guò)TCP/IP協(xié)議向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、過(guò)濾、存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢，并實(shí)現(xiàn)超閾值報(bào)警及發(fā)出相應(yīng)控制命令。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及總體架構(gòu)

系統(tǒng)功能由感知層、傳輸層、應(yīng)用層三大部分協(xié)調(diào)完成，感知層主要完成各種傳感器信號(hào)的采集、格式轉(zhuǎn)換等；傳輸層通過(guò)TCP/IP協(xié)議向服務(wù)器傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)的整理、顯示及控制功能。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

基于51單片機(jī)的智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)感知層實(shí)時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)的光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)采集到采集監(jiān)控節(jié)點(diǎn)內(nèi)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采集點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的超閾值自動(dòng)報(bào)警，防止事故的發(fā)生。采集監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與自帶TCP/IP功能的主控器相連，從而實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器通信。服務(wù)器主要由PC機(jī)和上位機(jī)軟件構(gòu)成，它實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的總體監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制。

1.2 總體架構(gòu)

根據(jù)項(xiàng)目要求和具體市場(chǎng)需求，下位機(jī)通信選用RS－485通信協(xié)議。大棚監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)分為三層。感知層采集監(jiān)控點(diǎn)使用模塊化下位和控制單元，便于系統(tǒng)擴(kuò)展；傳輸層以51系列單片機(jī)為中間主控制器，選用主控器自帶TCP/IP 功能與服務(wù)器通信，自帶RS485通信功能連接下位數(shù)據(jù)采集與控制單元；應(yīng)用層上位服務(wù)器直接面向網(wǎng)絡(luò)，保存下位采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖所示。

總體架構(gòu)圖

1.2.1 采集器功能

（1）實(shí)時(shí)可靠地采集大棚現(xiàn)場(chǎng)中大棚光照強(qiáng)度，空氣溫濕度，土壤溫濕度數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)的采集處理、格式轉(zhuǎn)換及采集存儲(chǔ)。（3）接收并識(shí)別主控制器發(fā)來(lái)的指令，向上層傳遞數(shù)據(jù)。

1.2.2 控制器功能

（1）接收并分析主控制器控制指令。（2）譯碼控制指令并執(zhí)行。

1.2.3 主控制器功能

（1）測(cè)量數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)

使用RS－485傳輸，通過(guò)串口與采集監(jiān)控點(diǎn)通信，收集監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)的大棚環(huán)境數(shù)據(jù)。如果監(jiān)控節(jié)點(diǎn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)范圍，由主控制器輸出控制指令或報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚光照、空氣溫濕度、土壤溫濕度的調(diào)節(jié)控制。

（2）測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳送

使用51單片機(jī)完成主控制器功能，留存各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)于外插的SD卡中，并將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上。數(shù)據(jù)用于后期數(shù)據(jù)整理，主要含存儲(chǔ)、過(guò)濾、處理、統(tǒng)計(jì)分析，作為未來(lái)調(diào)整大棚系統(tǒng)及設(shè)施改進(jìn)的依據(jù)。

（3）以太網(wǎng)通信及監(jiān)控節(jié)點(diǎn)控制

主控制器與服務(wù)器之間通過(guò)以太網(wǎng)通信，選擇的主控制器上需要帶有以太網(wǎng)接口，完成以太網(wǎng)通信，并完成相應(yīng)的控制反饋。

1.2.4 服務(wù)器功能

（1）網(wǎng)絡(luò)示范網(wǎng)站服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、顯示、數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及圖表顯示、報(bào)表打印輸出等信息管理工作，并進(jìn)行特殊情況的監(jiān)控中心預(yù)警以及通過(guò)上位機(jī)軟件方便地訪問(wèn)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。

（2）與各主控制器的網(wǎng)絡(luò)通信。

1.3 器件選型

傳感器選型：PTS－2環(huán)境濕度傳感器，DS18B20環(huán)境、土壤溫度傳感器，TDR－3型土壤水分傳感器，TBQ－6型光照強(qiáng)度傳感器。

控制器選型：下位采集器選用C8051F350，下位控制器選用C8051F310。

2 智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要完成三部分的設(shè)計(jì)：大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的采集，控制設(shè)備的執(zhí)行，服務(wù)器的信息匯總。傳感器完成數(shù)據(jù)的采集、上傳；采集器將傳感器數(shù)據(jù)封裝并發(fā)送到主控制器；主控制器接收傳感器數(shù)據(jù)，并連接相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備，依據(jù)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制指令完成對(duì)大棚執(zhí)行設(shè)備的控制，包括噴水系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等； PC機(jī)和上位機(jī)軟件完成信息的匯總統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的功能。輔助電路設(shè)計(jì)主要完成電源電路、RS－485通信接口電路、系統(tǒng)硬件抗干擾電路、電源、接口電路及電路板的設(shè)計(jì)。

3 智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)服務(wù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集程序通過(guò)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的傳感器按照一定的周期間隔采樣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將采集到的結(jié)果解析、分類(lèi)、匯總、統(tǒng)計(jì)，寫(xiě)入SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與控制設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)由嵌入式Web服務(wù)器和CGI腳本程序來(lái)完成?？刂撇糠职瑢?duì)讀取的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，支持多種查詢顯示，通過(guò)圖形化界面，以表格和曲線的方式將傳感器數(shù)據(jù)顯示，依據(jù)相應(yīng)控制理論，完成超出閾值警告，并發(fā)出監(jiān)控命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行設(shè)備的自動(dòng)化控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠，實(shí)現(xiàn)了高效智能監(jiān)控。依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)選擇了合適的溫濕度參數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)采集器和控制器；通信部分選擇了RS485通信協(xié)議；應(yīng)用層面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，完成了數(shù)據(jù)處理及控制功能。實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集到農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，能夠成功的發(fā)送給51單片機(jī)，并能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制，在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。