智能溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳 彬，劉 煜，馬鑫磊

（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，017020，內(nèi)蒙古鄂爾多斯）

農(nóng)業(yè)在我國(guó)有著舉足輕重的地位，溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著關(guān)鍵作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫室大棚也從傳統(tǒng)模式向現(xiàn)代模式發(fā)展。自1999 年美國(guó)麻省理工學(xué)院的教授Kevin Ashton 提出了物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Thing)的概念以來(lái)，萬(wàn)物互聯(lián)不斷發(fā)展已經(jīng)衍生出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念。但是我國(guó)溫室大棚分散、不集中，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)鋪設(shè)線路復(fù)雜困難，維護(hù)成本高。在智能溫室大棚領(lǐng)域，一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)涉足較早，以色列基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開(kāi)發(fā)了環(huán)境變量調(diào)控系統(tǒng)，并輔助以一些機(jī)械裝置如天窗、幕簾等自動(dòng)調(diào)節(jié)光線強(qiáng)度，再通過(guò)計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉與施肥?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)溫室大棚自動(dòng)控制與管理和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距。

結(jié)合以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)將溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照控制在人為設(shè)定值范圍內(nèi)的控制系統(tǒng)，采用無(wú)線網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，并與各傳感器節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，具有成本低、時(shí)效性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)通常有給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、控制器、放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)。主控節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于給定環(huán)節(jié)；控制節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于比較環(huán)節(jié)、控制器、放大環(huán)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的集合體；采集節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于反饋節(jié)點(diǎn)；通用節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于比較環(huán)節(jié)、控制器、放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)的結(jié)合（其就相當(dāng)于采集節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)的結(jié)合），其內(nèi)部已經(jīng)構(gòu)成反饋回路，只需加上給定環(huán)節(jié)就可以構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。將這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)上述輸入輸出關(guān)系進(jìn)行連接就能組成一個(gè)多輸入多輸出的多控制變量的數(shù)字計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 多控制變量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 芯片CC2530

CC2530 是一個(gè)內(nèi)核為8051 的單片機(jī)，最高時(shí)鐘頻率為32 MHz，提供了18 個(gè)中斷源和4 級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，片內(nèi)集成8 k SRAM、32～256 k FLASH，并配有1個(gè)DMA 控制器，配有21 個(gè)I/O 端口，掛有定時(shí)器、ADC、DAC、看門狗、串口、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和AES 協(xié)處理器等外設(shè)。CC2530 最小系統(tǒng)為維持正常運(yùn)行必需的外圍電路，由于芯片涉及無(wú)線傳輸，故還必須有高頻無(wú)線信號(hào)傳輸電路。

CC2530 是一塊41 腳的芯片，各引腳所連接電路如圖2 所示，其中第41 腳在芯片封裝底部為接地端。P1_4 所接LED 的作用是顯示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

圖2 CC2530 芯片主體及外圍網(wǎng)絡(luò)

2.2 FC-28 土壤濕度采集模塊（4 線）

4 線制的FC-28 可以將土壤濕度采集并轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)輸出，可以用CC2530 的ADC 對(duì)其進(jìn)行采集。其連接電路如圖3 所示。

圖3 FC-28 連接電路

2.3 DHT11 溫濕度采集電路

DHT11 采用4 引腳的封裝，1 腳為電源引腳，2 腳為單線雙向的串行數(shù)據(jù)接口用于數(shù)據(jù)的傳輸，3 腳懸空，4 腳為地。為使傳輸更為穩(wěn)定，常在2 腳上拉電阻。其連接電路如圖4 所示。

圖4 DHT11 連接電路

2.4 GY-302 光照度采集模塊

GY-302 光照度采集模塊板載了BH1750 芯片，可以實(shí)現(xiàn)光照度的采集并通過(guò)IIC 總線將采集的數(shù)據(jù)數(shù)字量進(jìn)行傳輸。其連接電路如圖5 所示。

圖5 GY-302 連接電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)功能是通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)反饋的環(huán)境數(shù)據(jù)和用戶通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)設(shè)定的環(huán)境變量的期望值來(lái)控制環(huán)境變量。程序中當(dāng)節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)若有發(fā)給該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)會(huì)暫存到其父節(jié)點(diǎn)中，待睡眠喚醒時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)從其父節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)。若控制節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間未收到采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，則說(shuō)明采集節(jié)點(diǎn)可能已經(jīng)掉線。程序中對(duì)于這種情況的做法是向主控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)設(shè)備離線信息，同時(shí)停止執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。程序流程如圖6 所示。

圖6 控制節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 功能測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試目的

系統(tǒng)調(diào)試是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，調(diào)試是為了發(fā)現(xiàn)并排除系統(tǒng)中存在的錯(cuò)誤，完善系統(tǒng)功能，有利于更好開(kāi)展之后的工作。

4.2 測(cè)試方法

連接好電路后，在計(jì)算機(jī)上對(duì)溫室大棚內(nèi)土壤濕度、光照度、溫度進(jìn)行范圍值的設(shè)定。當(dāng)大棚內(nèi)溫度高于設(shè)定值時(shí)，排風(fēng)扇開(kāi)始旋轉(zhuǎn)通風(fēng)；當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)，抽水泵開(kāi)始工作灌水，當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度到達(dá)設(shè)定值時(shí)抽水泵停止工作；當(dāng)大棚內(nèi)光線不足低于設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)光燈自動(dòng)亮起，當(dāng)光照度高于設(shè)定值時(shí)補(bǔ)光燈自動(dòng)熄滅。

由于實(shí)際條件的限制，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)，選擇一間有玻璃窗的封閉房間用于模擬溫室大棚來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出各傳感器都存在誤差，但都在傳感器要求范圍內(nèi)，水泵、補(bǔ)光燈、換氣扇作出反應(yīng)也是很迅速的。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)的測(cè)量精度還是比較高的，顯示器顯示的數(shù)據(jù)和溫室大棚內(nèi)真實(shí)環(huán)境的狀況基本上同步，實(shí)際應(yīng)用功能基本達(dá)到要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)是基于芯片CC2530 和ZStark-CC2530-2.5.1a 協(xié)議棧平臺(tái)以及物聯(lián)網(wǎng)的概念設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境變化，同時(shí)對(duì)環(huán)境作出調(diào)節(jié)，直至達(dá)到設(shè)定值范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的自動(dòng)控制。本系統(tǒng)成本低、功耗低、節(jié)點(diǎn)控制靈活、精度高、拓展容易，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，為溫室大棚的自動(dòng)化控制和管理提供了新的途徑。