農(nóng)業(yè)大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)

李美麗　付興燁　盧振生（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院　黑龍江綏化　152061）

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農(nóng)業(yè)大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)

李美麗付興燁盧振生
（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院黑龍江綏化152061）

摘要：文章以Cortex- M3為核心，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚的自動(dòng)化控制。對大棚環(huán)境中的各種信息（如溫度、濕度、光照等）進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)了一套能實(shí)時(shí)控制溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及土壤濕度等多參數(shù)的測控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，使溫室中環(huán)境參數(shù)處于事先確定的最佳值，為農(nóng)作物提供良好的生長環(huán)境，并以液晶顯示方式通知給用戶。綜合運(yùn)用了TFT液晶顯示、AM2301溫濕度傳感器等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：Cortex- M3；溫度；濕度；光照；自動(dòng)控制

一、系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)利用了Cortex-M3開發(fā)出的一個(gè)高端農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部環(huán)境的自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，系統(tǒng)的中心是以Cortex-M3為處理器且集中了豐富的傳感器硬件資源，由其完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和自動(dòng)處理，該系統(tǒng)具有以下功能和特點(diǎn)：

（一）大棚的各種設(shè)備的工作狀態(tài)和內(nèi)部環(huán)境參數(shù)可以在液晶屏上直觀顯示。

（二）當(dāng)大棚的設(shè)備或內(nèi)部環(huán)境變量放生異常時(shí)系統(tǒng)本身可進(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)顯示在液晶屏上以通知用戶。

二、功能與原理

（一）實(shí)現(xiàn)功能。本系統(tǒng)是以Cortex-M3為處理器，通過AM2301溫濕度傳感器和光敏電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)測控大棚內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度，如果大棚內(nèi)的環(huán)境發(fā)生異常，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警，處理器自動(dòng)控制風(fēng)扇、水泵，保溫布簾、補(bǔ)光燈等設(shè)施調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境以達(dá)到植物生長的正常狀態(tài)。

如果溫度和濕度超出設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)自動(dòng)控制風(fēng)扇工作來降低溫度和濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)模擬升溫。濕度較低時(shí)，控制系統(tǒng)通過控制水泵從蓄水池中取水給大棚內(nèi)的農(nóng)作物噴淋，防止農(nóng)作物干旱。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)夜晚到來或陰雨天氣時(shí)，通過外部光敏傳感器檢測，外部光照不能使大棚內(nèi)的農(nóng)作物正常生長時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制大棚內(nèi)的補(bǔ)光燈發(fā)光，來補(bǔ)償農(nóng)作物的正常光照，同時(shí)卷簾下落，覆蓋大棚以保持大棚內(nèi)的溫度。當(dāng)陽光充足時(shí)，保溫卷簾自動(dòng)卷起，補(bǔ)光燈自動(dòng)熄滅。

（二）實(shí)現(xiàn)原理。

1.主控制板。主控制板的硬件主要包括：Cortex-M3模塊、AM2301溫濕傳感器和我們自己制作的驅(qū)動(dòng)板。

在本套系統(tǒng)中我們使用了基于Cortex-M3內(nèi)核的芯片，其型號(hào)為為LM3S-2948，該芯片支持最大主頻為50MHz，256Kbyte FLASH，64 Kbyte SRAM，LQFP-100封裝。集成CAN控制器、睡眠模塊、校正編碼器、ADC、帶死區(qū)PWM、溫度傳感器、模擬比較器、UART、SSI、通用定時(shí)器、I2C、CCP等外設(shè)。配以6MHz主時(shí)鐘以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。為方便CPU仿真及下載程序而提供的側(cè)插JTAG接口。硬件復(fù)位按鍵RESR可以隨時(shí)按動(dòng)實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位。總線接口部分P1、P2、P4實(shí)現(xiàn)與擴(kuò)展板的連接。電源可以通過總線或POWER接口兩種方式提供+5V，通過低壓差穩(wěn)壓源SP6201EM5-3.3穩(wěn)壓至+3.3V。

考慮到系統(tǒng)的安全問題，水泵和風(fēng)扇等控制部分用繼電器進(jìn)行控制。用L293N來驅(qū)動(dòng)自動(dòng)升降保溫布簾的電動(dòng)機(jī)，并用光電耦合器進(jìn)行主板與電動(dòng)機(jī)的隔離，防止較大的電流燒毀主控芯片。系統(tǒng)的主電路如圖2所示。

2.各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)原理。

（1）溫濕度控制。大棚內(nèi)部的溫度和濕度通過AM2301溫濕傳感器采集，處理器實(shí)時(shí)檢測大棚內(nèi)的溫度和濕度，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。當(dāng)溫度或濕度高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制大棚兩側(cè)的風(fēng)扇工作進(jìn)行通風(fēng)處理，以達(dá)到降溫和排除水分的作用。當(dāng)溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制大棚內(nèi)的模擬升溫裝置加熱，防止溫度低影響大棚內(nèi)農(nóng)作物正常生長。當(dāng)檢測到大棚內(nèi)濕度值低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)進(jìn)行滴灌，處理器自動(dòng)控制水泵從蓄水池中取水自動(dòng)滴灌。防止農(nóng)作物干旱。噴淋系統(tǒng)是由水泵、蓄水池和滴灌裝置構(gòu)成的。

（2）光照強(qiáng)度控制。為了保證大棚內(nèi)的農(nóng)作物的正常生長，需要保證大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)中的光照強(qiáng)度通過光敏傳感器采集，處理器實(shí)時(shí)檢測外界的光照強(qiáng)度。當(dāng)外界光照不足或夜晚時(shí)，大棚內(nèi)設(shè)的補(bǔ)光系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟。同時(shí)保溫布簾會(huì)自動(dòng)下落覆蓋在大棚上方，起到保溫和遮光的作用。保溫布簾的起落停止由處理器自動(dòng)控制，通過控制電動(dòng)機(jī)和伸縮軸同時(shí)檢測光電門的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。

（3）液晶屏。本設(shè)計(jì)中使用了3.2寸TFT彩色液晶屏進(jìn)行圖形文字的顯示，屏幕分辨率為240*320dpi，帶手寫輸入功能，單3.3V供電，16位并行數(shù)據(jù)接口驅(qū)動(dòng)。為用戶提供了一個(gè)良好的使用界面，用戶可以通過顯示屏直接獲得大棚內(nèi)部環(huán)境的參數(shù)和各模塊的工作狀態(tài)。

圖2主電路圖

（4）傳感器。在本設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用的傳感器有：AM2301傳感器、光敏傳感器、位置檢測傳感器。

本設(shè)計(jì)中采用了AM2301溫濕傳感器，用于實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)部的溫度和濕度。AM2301數(shù)字溫濕度傳感器是一款單總線數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。該傳感器包括一個(gè)電容式濕度檢測元件和一個(gè)熱敏電阻測溫元件，并且自身集成了一個(gè)8位的單片機(jī)，用來同用戶設(shè)備進(jìn)行通信。每個(gè)AM2301傳感器在出廠前都經(jīng)過校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在傳感器內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在將環(huán)境變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。采用了光敏傳感器，用于檢測大棚外部的光照強(qiáng)度，反饋給處理器來實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)部光照強(qiáng)度的控制。采用位置檢測傳感器與大棚外側(cè)的伸縮軸和電動(dòng)機(jī)配合實(shí)現(xiàn)保溫布簾的卷起和下落。位置檢測傳感器是一種一體化反的光電探測器，一端有個(gè)線性光源，另一端有個(gè)光敏電阻，門中無物體阻擋時(shí)光照射到光敏電阻上。有光照時(shí)光敏電阻阻值減小，光敏電阻兩端為低電壓。當(dāng)門中有物體阻擋時(shí)，光敏電阻受到光照度減小，電阻增大，光敏電阻兩端為高電壓。其內(nèi)置可見光過濾器，能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。此光電門傳感器調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。

三、總結(jié)

在本套系統(tǒng)中運(yùn)用了多方面的技術(shù)，傳感器的應(yīng)用，使大棚系統(tǒng)更加智能化，在測量溫度和濕度上，運(yùn)用了溫濕度結(jié)合傳感器，做到了溫濕度結(jié)合測量，處理方便，更加實(shí)用，執(zhí)行部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)使這大棚控制系統(tǒng)更加的自動(dòng)化，給用戶提供了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚的方便。

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[責(zé)任編輯鄭麗娟]

Agricultural Greenhouse Automatic Control System

Li Meili Fu Xingye Lu Zhensheng
(Suihua University, Suihua, Heilongjiang 152061)

Abstract:This paper, using the M3 as the core, has realized the automatic control of agricultural greenhouses. The greenhouse environment (such as temperature, humidity, illumination, etc.) is collected in order to design a set of real-time control in the greenhouse temperature, humidity, light intensity and soil humidity parameter measurement and control system. Through the system of automatic adjustment function, it makes the best of greenhouse environment parameters in a pre-determined value, and provides a good growth environment for crops, and notify in liquid crystal display to the user. This design integrated use of TFT LCD, AM2301 function such as temperature and humidity sensor module, and realized the automatic control of agricultural greenhouse.

Key words:Cortex-M3; temperature; humidity; light; the automatic control

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095- 0438（2016）05- 0146- 03

收稿日期：2015-12-21

作者簡介：李美麗（1982-），女，黑龍江綏化人，綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院講師，研究方向：材料物理及電氣自動(dòng)化。

基金項(xiàng)目：綏化學(xué)院新農(nóng)村建設(shè)研究項(xiàng)目（SXK120202）；綏化學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JS20140051）；黑龍江省高等學(xué)校教改工程項(xiàng)目（JG2014011118）。