溫室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬敏 張得龍 吳少慈

摘要：本設(shè)計(jì)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為信息平臺，設(shè)計(jì)了智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)（包括濕度、溫度、光照度以及CO2濃度等）采集模塊、存儲模塊、電源模塊、通信模塊、時鐘模塊等，每個數(shù)據(jù)采集模塊集成一個無線Zigbee傳輸芯片與主節(jié)點(diǎn)通信，再進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)功耗最小，傳輸可靠，可實(shí)現(xiàn)溫室的智能控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智慧溫室;遠(yuǎn)程監(jiān)控

1 緒論

智慧農(nóng)業(yè)，就是面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，流通，管理等一系列過程中的典型問題，在這一過程中使用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能搜索等技術(shù)方法來學(xué)習(xí)、理解信息，最終制定最優(yōu)化的策略，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的軟硬件實(shí)體[1]。本文開發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型的符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)的智慧溫室控制系統(tǒng)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新的通信平臺，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)部包括溫度、濕度、光照度以及CO2濃度各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測控制，并能實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警等功能。

2 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于溫室大棚的生產(chǎn)需求，在硬件上主要對數(shù)據(jù)采集模塊（濕度、溫度、光照度和CO2濃度等數(shù)據(jù)）、存儲器、電源模塊、時鐘模塊和控制執(zhí)行模塊等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器模塊設(shè)計(jì)

主控芯片與外圍電路設(shè)計(jì)的原理圖如圖2所示。主控芯片采用STM32103系列單片機(jī)，該芯片是基于ARM核心32位增強(qiáng)型單片機(jī)，帶512K字節(jié)閃存的微控制器，具有USB、CAN等接口，并包含11個定時器、3個ADC和13個通信接口。圖2中單片機(jī)最小系統(tǒng)的復(fù)位電路主要通過微動開關(guān)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的按鍵復(fù)位。

3.2 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的Zigbee模塊采用了Zicm2410型號的數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有較大的輸出功率，最大時可達(dá)8dBm，理想狀態(tài)的可視傳輸距離達(dá)到500米。MCU與Zigbee模塊通過串口連接，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，波特率可以在1200bps-115200bps范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，工作溫度范圍為-40℃-+85℃，完全適用于溫室的一般性環(huán)境。

3.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要包含有濕度、溫度、光照度以及CO2濃度等參數(shù)的采集。本節(jié)主要介紹溫度采集模塊和濕度采集模塊。溫度采集模塊選用了雙總線、低功耗的TMP102芯片[2]，適合在本系統(tǒng)的小空間PCB板。測量溫度有效范圍為-40℃-+125℃，工作最大電流為10uA，關(guān)機(jī)模式僅為1uA[3][4]，電路如圖2（a）所示。

濕度采集模塊選用CY- HR104芯片[5]，是深圳市深恒源電子公司生產(chǎn)的抗結(jié)露、除靜電新型濕度敏感元件，反應(yīng)速度快，感應(yīng)范圍寬，穩(wěn)定可靠，廣泛用于工農(nóng)業(yè)的監(jiān)測中。數(shù)據(jù)采集主要使用固定點(diǎn)采集和巡回采集兩種方式。

4 軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)向數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)的過程中，每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)結(jié)束后，接收方要進(jìn)行收到反饋，已確認(rèn)數(shù)據(jù)已經(jīng)接收到，傳感器模塊返回?cái)?shù)據(jù)時，同樣要進(jìn)行接收確認(rèn)。如果每次發(fā)送數(shù)據(jù)時，對方發(fā)送數(shù)據(jù)但仍未接收到確認(rèn)信息，則認(rèn)為通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，此時需要報(bào)警，以便于管理人員進(jìn)行維護(hù)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于溫室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件部分，對溫室內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行存儲、傳輸、分析，且系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對溫室的控制設(shè)備的操作，管理系統(tǒng)或用戶也可對控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的操作，基本實(shí)現(xiàn)了溫室的智能化管理，提高了溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化程度。

參考文獻(xiàn)

[1]李皓.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2008，1（1）：12-14.

[2]Wang Gangshi.Computer Control on Multimeter Measurement Instrument Based on RS232 in LabVIEW.Proceedings of the Second International Symposium on Test Automation & Instrumentation （Vol.4），2008，11（1）：270-274

[3]李道華等.傳感器電路分析與設(shè)計(jì)[M] .武漢：武漢大學(xué)出版社，2000.

[4]周建宇.基于Zigbee技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D] .武漢：湖北工業(yè)大學(xué).2011.12.

[5]CHR02高分子濕度傳感器規(guī)格.http：//wenku.baidu.com/view/26ac66768e9951e7 9b8927da.html？re=view.

作者簡介：馬敏（1998-），女，山東泰安人，濰坊科技學(xué)院電氣自動化學(xué)院2017級學(xué)生;

張得龍（1987-）男，山東省臨沂人，濰坊科技學(xué)院電氣自動化學(xué)院教師。