1.1 课题的来源 我国大棚种植约始于1965 年,如今技术设备已经更新好几代,大棚 面积也已经稳居世界前列,同时伴随着科技快速发展,使得农作物栽培不 受地域、季节限制,蔬菜成为了一年四季人们的餐桌食物,中国的蔬菜大 棚也渐渐走向自动化、无人化和信息化。 目前,中国的温室主要是在温室和塑料大棚,温室管理主要是人工的, 在很大程度上造成了人力资源和原材料的巨大浪费,且效率不高。随着国 民经济的快速发展和现代化工业生产的迫切要求,人们在日常生活的方方 面面越来越多的见到利用无线传输方式进行数据的采集和传递。在过去, 由于蔬菜大棚都是采取了分区采样的人工方法,获得的数据十分不可靠、 人工工作强度大、检测目标分散,以往的方法也渐渐落伍,很难满足现代 农业快速发展,而很多复杂系统依赖无线数据传输技术的快速发展,其采 集检测数据的能力更加精确可靠,操作上更加简便易行。 图1-1 日常生活中蔬菜大棚 1.2 国外研究概况 如今一些发达国家已具备了相当成熟的蔬菜大棚技术,早在1970 国外开始采用模拟式仪表,收集、保存和分析了大棚内的若干环境参数,到1990 年左右,计算机技术为核心的分布式控制系统开始崭露头角。如 今国外的蔬菜大棚自动控制系统的研究已经有了极大的进步和发展,一些 发达国家正在朝着信息化、智能化、自动化的目标挺进。世界园艺强国荷 兰的大棚控制技术一直处于世界领先水平,堪称是欧美的典型代表,由于 荷兰温差很小,其大棚内的温湿度等难题考量不多,从而侧重对于光照强 度的采集和控制,荷兰的大棚的隔热技术、调节CO2 技术和人工补光技术 一直处在世界前列;以色列的现代温室大棚技术可通过计算机网络对自身 环境参数进行自动检测及调节来完成植物自身对外 徐飞:蔬菜大棚智能数据采集系统设计界参数的不同要求,先进的滴管和微喷管系统进行灌溉和施肥,从而 实现温室农作物常年高效生产;此外美国、加拿大等还利用人为增加光强 度,由机器手或机器人进行移植栽培,选用计算机网络技术和无线通信技 术进行温室的的远距离监测与控制,从而很大程度上提高了生产效率以及 植物的产量,极大的提高了农业信息化水平。 1.3 中国蔬菜大棚潜在的问题及其需求分析 存在的问题: 1)蔬菜大棚系统依然使用过去有线通信方式。蔬菜大棚传统上采用 RS485 等总线方式,此类有线通信方式使得系统的可靠性降低,线路错综 复杂安装维护繁杂,不利于大规模无人化生产,在实际应用空间上具有局 限性。随着计算机技术的快速发展,无线通信数据采集与处理在工农业生 产中迅速得到了广泛的应用,蔬菜大棚系统也需要更新。 2)我国蔬菜大棚生产管理主要依赖经验和单因子定性控制,调节控 制能力差,总体机械化程度低,主要仍是依托人工体力作业。 需求分析:中国经过30 多年的改革开放,伴随着社会经济快速发展, 工业化和城市化不断提高,用于农业生产的土地面积不断减少,这也迫切 要求发展和提高中国的农业现代化水平,其中重点就是蔬菜大棚技术。本 设计通过采集大棚内光照强度、湿度、温度、CO2 浓度的相关数据,及时 了解和调节蔬菜大棚内农作物的生长环境的4 种重要参数,使其在最适宜 的环境下生长,我们致力于在有限的土地占有面积上进行高效的农业生产, 提高农业生产效率,使得中国农业朝着高效化、信息化以及智能化的方向 发展[1]。 1.4 本文主要研究工作 本文设计了由STC89C52 控制nRF24L01 和DHT11、BH1750fvi、C20 种传感器构成了无线数据通信的系统。整个系统可分为两大部分,其中发送部分以STC89C52 为主控芯片,使用DHT11 采集温湿度、BH1750fvi 采集 光照强度、C20 采集CO2 浓度并由nRF24L01 无线射频模块将采集到的各 种数据传送给接收部分;接收部分以STC89C52 为主控芯片,通过nRF24L01 接收温湿度、光照强度、CO2 浓度数据然后在LCD12864 上显示。 系统方案分析与选择论证2.1 系统方案设计 2.1.1 主芯片选择方案 方案一:选用STC89C52 作为主控芯片。此芯片有以下长处:效率高、 功能强、应用简便、低功耗、低成本、高稳定性、高速度、体积小、集成 度高且易于扩展。 方案二:选用TI(德州仪器)公司研发的具有16 位总线的外设和内 存统一编码的内置高速12 位ADC 的超低功耗、集成度高的单片机 MSP430F149 作为主控芯片。寻址范围可达64K、支持ISP、便于系统的开 发和设计,具有非常强大的功能,但其价格比较贵,又由于它的封装形式 连接不便于电路的焊接,因此大大增加了开发成本和时间周期。 方案三:选用ATMEL 公司生产的,目前主流的高性能、性价比高、低 功耗的8 单片机8 位AVR 的ATmega16,具有先进的RISC 结构、非易失性 程序和数据存储器、JTAG 接口(与IEEE 1149.1 标准兼容)。具有丰富的指令 集和32 个通用工作寄存器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执 行时间,ATmega16 的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在 功耗和处理速度之间的矛盾。但由于本系统对运算要求不高,且AVR 单片 机价格较高,不适宜本设计的要求。 由于蔬菜大棚内的环境常年湿度较高,容易使得电子产品的腐蚀。所 以从成本上要求主控芯片必须价格低廉且性能可靠。同时,为了便于系统 的安装和维护,我们希望单片机的性能优良、集成度高,本系统选择方案 2.1.2无线通信模块方案 方案一:选用高速、低功耗、抗干扰能力强的nRF24L01 无线射频模 块进行通信,它是是一款最高工作速率为2Mbps、高效GFSK 调制、内置 硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制的无线通信模块,由于模块采用 SPI 总线通信模式,所以操作比较方便、价格低廉,特别适合工业控制场 方案二:选用美国TI(德州仪器)公司开发的使用ZigBee总线方式的 CC2430 无线通信模块,它具有非常显著的耗电少、接收灵敏度高、传输距 离远、成本低和强大的抗干扰性等优势,而ZigBee 通信协议对于初学者来 说较为复杂,一时难以掌握,另外CC2430 模块价格较贵。 方案三:选用GSM 模块进行通讯,抗干扰能力强,状态稳定,在覆盖 地域通信质量高,能够支撑多种业务、有效地保护用户权利和加密传输讯 息,但它需要需要内置SIM 徐飞:蔬菜大棚智能数据采集系统设计编码质量不够高,编码速度只有13kb/s,且通信过程中需要收费,后期 成本较高。 综上所述,我们采用方案一中的nRF24L01 作为本系统的数据通信模 2.1.3湿度、温度传感器方案 方案一:选用HS1101 检测蔬菜大棚内湿度,DS18B20 检测大棚内温 度。DS18B20 由于其电路接线简单、易编程、体积小、持久耐用、封装种 类丰富,因而广泛应用于设备要求的狭小空间。HS1101 由于具有高可靠性 与长时间稳定性,可应用在需要湿度补偿的各类场所。 方案二:模拟输出型温湿度传感器,它输出的信号信号是微弱的模拟 电信号,且响应时间慢、热惯性大、线性差、需要各种补偿,适用于温湿 度良好的环境中,如办公室、医院等。 方案三:数字型温湿度复合传感器,其中以DHT11、SHT11 系列为代 表,其特征就是输出为数字信号、不需要A/D 变换、外围电路接线简单、 外部抗干扰能力很强、无需外部放大电路。 方案四:逻辑输出型温湿度传感器,这类传感器以LM56 等为代表, 主要是判断温度、湿度是否超过了设定范围,一旦超过原设定范围,就会 发出警告。 综合以上四种方案,本系统选用方案三数字型传感器DHT11。 2.1.4 光照传感器选择方案 方案一:光照传感器,它可以根据光照强度调整亮度,其测量范围广, 分辨率高,无需设计外围复杂电路。其中的代表就是一种以两线式串行总 线进行通信的数字光照强度传感器BH1750FVI,它工作时对光源依赖较弱 并且支持IIC 总线接口通信。 方案二:光敏传感器,它是一种敏感波长在红外线波长和紫外线波长 之间的利用光敏元器件将光照强度信号经过A/D 变换成为电平信号的设备, 它广泛应用在对光的探测和组成其他传感器的探测元器件,但它受温度影 响较大、响应速度慢且延迟时间又受到入射光的光照度影响。 综合以上两个方案,采用以BH1750fvi 为代表的方案一。 2.1.5 气体传感器的选择方案 方案一:红外式传感器,它是运用了不同波长光线可以被不同种类的 元素吸收的光学原理作为检测气体浓度的依据,优点是线性转换度好、响 应速率快、可以适应恶劣环境、稳定性好等特点。 方案二:电解质气体传感器,它是在通电情况下利用不同浓度的被测 气体与某种固体电解质电极间发生化学反应,进而引起其电极正负电位的 变化,根据被测气体与电极电位的变化量成正比例的关系,可以得出电位 和气体浓度的变化。 方案三:金属氧化物半导体式传感器,它对湿度、温度、光照强度等 各种因素都很敏感,外界因素的一点变化都会引起半导体材料的载流子的 变化,通过采集其材料的物理变 铜陵学院毕业论文(设计)化,可以推出它所处的CO2 的的浓度。 综合以上气体传感器的特点,由于方案二、三中的传感器存在温度漂 移、零点漂移等缺点,本系统采用方案一中的灵敏度高、线性好、响应时 间短、测量时受外界环境影响小的红外CO2 传感器C20。 2.1.6 显示模块选择方案 方案一:选用可以显示较多汉字和ASCII 码的LCD12864,由于它低电 压低功耗、连接方式灵活简便、操作指令简单等显著特点,可设计出全中 文人机交互图形界面,最大限度的完成图形的显示。 方案二:选用点阵型液晶模块LCD1602,它价格便宜易控制,且可显 示字母、数字、符号,但只可显示固定的每行16 个字符的2 行字符,因 而不能显示位图图形。 方案三:选用LED 数码显示管,它的成本虽然少,但是只可以显示数 字和少数的字符和符号。 本系统选择了LCD12864 显示屏。点阵图形液晶模块、点阵字符液晶 模块以及数显液晶模块是3 种最为常见的液晶显示模块,本系统选用主控 芯片为KS0108 的不带字库的AMPIRE12864 液晶显示屏,是由于汉字不能 像英文那样用字符模块就可以显示,显示汉字必须用图形模块,这也是图 形液晶模块在中国应用范围最为广泛的重要原因。 2.2 系统最终方案 本系统以89C52 作为主控芯片,外接光照采集模块、温湿度采集模块、 CO2 浓度采集模块以及无线射频模块,4 种数据通过I/O 接口保存到存储 单元中,接着将nRF24L01 模块初始化,89C52 经过接口将采集到的数据传 送到nRF24L01 中的TX_FIFO 缓冲区内,在发送模式下CE 拉低,直至数据成 功发送完毕,从而启动待机模式,紧接着接收端等待接收数据,如果收到 超出预先设定的数据范围,则蜂鸣器报警,延迟一段时间后,传感器重新 采集数据。 光照强度传感器BH1750fvinRF24L01 传输(接收) 温湿度传感器DHT11 主控芯片 (STC89C52)CO2 浓度传感器C20 主控芯片 (STC89C52)蜂鸣 nRF24L01传输(发送)LCD12864 显示屏 图2-1 系统硬件结构框图 系统硬件模块设计3.1 单片机控制模块 3.1.1 主控芯片概述 STC89C52 是宏晶科技公司推出的利用高密度非易失性存储器技术制 造的低功耗、高速、超强干扰的MPU,指令编码完全与过去的MCS-51 片机相兼容。STC89C52具有片上在系统可编程Flash,便使得它广泛应用 在很多工业过程控制和嵌入式控制中。SC89C52 为满足不同产品的需求, 开发了3 种封装形式PDIP、TQFP 和PLCC。它的工作电压在5.5V~ 3.3V,工作频率范围0~40MHHz,本设计采用比较常见的PDIP 封装 形式。STC89C52 主要功能特性如表3-1 所示,管脚分布如图3-1 所示。 铜陵学院毕业论文(设计)图3-1 主控芯片管脚分布图 3.1.2 单片机控制模块电路 STC89C52 最小系统构成单片机控制模块,其中最小系统包括STC89C52 芯片,时钟电路、复位电路和电源电路[3]。 (1)时钟电路 89C52 的管脚19(X1)与18(X2)外接一个晶体与内部一个高增益的 反相放大器构成了1 个振荡器,单片机的时钟连接方式可以分为内部时钟 方式和外部时钟方式时钟,本系统采用内部时钟方式。在单片机的管脚18 与19 接一只12MHz 或6MHz 晶振振荡器和两只30pF(