基于單片機的蔬菜大棚農業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)研究設計 畢業(yè)論文

《基于單片機的蔬菜大棚農業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)研究設計 畢業(yè)論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《基于單片機的蔬菜大棚農業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)研究設計 畢業(yè)論文（13頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 基于單片機的蔬菜大棚農業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)研究設計 摘要：隨著農業(yè)自動化水平的提高．農業(yè)灌溉逐步發(fā)展到自動灌溉系統(tǒng)。為此，介紹一種基于單片機和射頻模塊nRF24Lol來實現無線數據傳輸，利用多點濕度傳感器檢測環(huán)境濕度的蔬菜大棚自動灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由主站和分站組成，主站和分站可以通過無線射頻模塊交換實時濕度數據，并由主站處理后發(fā)送控制信號控制分站的電磁閥實現自動灌溉。 關鍵詞：農業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)；AvR單片機；無線射頻技術 O引言 隨著我國農業(yè)自動化水平的提高，農業(yè)灌溉由以往的人工灌溉發(fā)展到現在的自動灌溉，并且在多種地形和條件下使用，效果都非常不錯。但是，這種灌溉系統(tǒng)也有不少缺點，如不

2、能檢測當前環(huán)境的濕度，只是按照灌溉時間間隔來進行控制；遇到比較大的種植面積，布線非常復雜，電纜需要做防水保護，制作成本和維護成本都非常高。所以，考慮到農業(yè)灌溉的特殊性，本文提出了一種新型的自動灌溉系統(tǒng)，適用于多種農業(yè)種植環(huán)境，以蔬菜大棚自動灌溉系統(tǒng)為例，從硬件和軟件設計方面分析：首先，布線方面不采用傳統(tǒng)的線路鋪設，而采用無線射頻模塊傳輸數據和接收數據，具有較大的靈活性，并節(jié)約成本；其次，通過利用高性能AVR單片機具有的sPI方式，來控制發(fā)送和接收無線傳輸模塊傳輸的數據，并可靠地控制電磁閥動作，利用單片機控制具有較強的實時性，并且可以移植到各種實時操作系統(tǒng)中實現；最后，蔬菜大棚室外降雨等因素可以

3、忽略，使程序更加穩(wěn)定，并能有效的節(jié)約維護成本。 1系統(tǒng)硬件設計 本系統(tǒng)由主站和分站組成點對多點的無線數據傳輸網絡，其中1個主站，多個分站，本設計中以3個分站為例，每個分站上其他電路由一個濕度傳感器、電磁閥驅動電路和電磁閥構成。主站與分站之間距離理論不超過l km，實際50m即可。主站和分站的核心都是利用AVR單片機控制操作，主站單片機：主要接收濕度數據并處理，然后發(fā)送數據到相應分站，分站的單片機接收到數據后響應主站命令，從而控制電磁閥動作。 1．1 AVR單片機 本設計中采用ATMEL公司8位單片機AT．m89a8L。該單片枧是ATMEL公司2002年第一季度推出的一款新型AVR高檔單

4、片機，ATmega8L后面的“L”代表的是一款可以工作在低電壓狀態(tài)的單片機，工作電壓范圍在2．7～5，5V，ATmega8L內部集成了8kB在系統(tǒng)自編程FLAsH，可擦寫次數達到了10000次，具有獨立的鎖定為可選Boot代碼區(qū)‘，這可以通過片上Boot程序實現系統(tǒng)內編程實現讀寫的同時性。片上還集成了512字節(jié)的EEPROM，擦寫次數也達到了10 000次，lkB片內的sRAM可以大幅提高編程的可靠性，用戶可以通過對鎖定為進行編程以實現用戶對程序的加密，使程序難以破解。ATmega8L具有豐富的硬件接口電路，具有硬件sPI和IsP接口，AT．mega8L是基于先進的RIsc結構的8位單片機，由

5、130條指令構成，大多數指令執(zhí)行的時問為單個時鐘周期，內部具有32個8位通用工作寄存器構成，AT—mega8L單片機主要是將32個通用寄存器和130條指令結合在一起，所有的通用寄存器都與ALu(算術邏輯單元)直接相連，實現了在一個時鐘周期內執(zhí)行的一條指令同時訪問(讀寫)兩個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，AThega8在16MHz的工作狀態(tài)下可以達到16MIPs的性能，運行速度比過去基于cIsc結構的5l單片機高出近10倍。由于AT—mega8L是不帶ⅡAG接口的，所以要對ATmega8L在線仿真另接一個仿真器或者采用ATmega88來

6、做前期的開發(fā)。批量生產時可將程序移植到A1hega8，并在程序中的寄存器名稱做修改。A1hega8／88最小系統(tǒng)及下載電路如圖1所示。 本電路中的電源部分是根據nR砣4LDl的典型電壓3．3V匹配電源，即單片機部分和無線射頻模塊供電也是通過3．3V供電。另外，IsP下載電路部分是提供程序下載調試用的，方便系統(tǒng)開發(fā)設計及日后升級用。 1．2 nRF24LJDl及接口電路 nRF24加l是Nordic公司的一款無線芯片，該模塊特點是在2．4GHz全球開放IsM頻段免許可證使用，即該頻段一般為民用通訊、遙控和數傳等不需要申請許可證就可以使用的。該芯片最高工作速率達到了2Mbps，高效G聆K

7、調制，抗干擾能力較強，適合工業(yè)控制場合，因為是免許可證的頻段，所以在同一地區(qū)使用該頻段的設備也相對多一些，為了避免誤操作，芯片內部固有126個頻道，滿足多點通信和跳頻通信的需要，并且內置硬件的cRC檢錯和點對多點路由地址控制。該芯片最大的特點還是采用軟件設定地址的功能，即收到本機地址才會有輸出數據，這個過程是通過中斷源的形式完成的，可以直接接在各種單片機使用，特別是支持硬件sPI的單片機，編程更加方便，其引腳分布及功能如圖2所示。 cE：發(fā)射模式和接收模式使能引腳； csN，scK，M0sI，MIs0：sPI功能定義端，主要通過該4位端口與AVR單片機通信； IRQ：中斷標志位； VD

8、D：芯片電源3．3V； VSS：GND： xc2，xcl：外接晶體振蕩器引腳，典型值為16MH2； VDD—PA：芯片內部功放供電端，輸出電壓為1．8 V； ANTl，ANl2：ANT天線輸人端； IREF：基準電流參考端； 以上需要和單片機通信的引腳分別是cSN，scK，M0sI，MIs0及IRQ，注意芯片的VDD電源電壓不要超過3．3V，電流也不要過高，超過3．6V會造成芯片永久燒毀。nRF24L0l的時序圖如圖3和圖4所示。 可以看出，在發(fā)送模式下，數據的高位在前，低位在后，每寫一位都要返回一個狀態(tài)字，每次寫操作都可以讀回一個完整的狀態(tài)字，保證最大限度地不丟

9、包。 nRF24LDl的工作模式發(fā)送接收模式、系統(tǒng)配置模式、空閑狀態(tài)模式以及關機模式等4種，如表1所示。 表l nRF24IDl配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電4種工作模式表 其中，發(fā)送接收模式有Enhanced shockBurstTM模式、shockburstTM模式和直接發(fā)送接收模式3種。在本設計中，采用Enhanced sho＆BurstTM模式。這種模式下，軟件編程會稍微簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。nR砣4加1的應用原理如圖5所示。 此外需要注意的是，nRF24Iol的寄存器配置采用宏定義命令，通過宏定義命令將18字節(jié)的寄存器參數按照各個功能分解，以便于程序移植和修改。

10、1．3電磁閥驅動電路 電磁閥驅動電路是由2個NPN和2個PNP三極管構成的H橋構成，外圍觸發(fā)采用施密特觸發(fā)器組成，每個分站的電磁閥由Dc一6V供電，采用脈沖控制。分站AvR單片機從PINl和PIN2引腳輸出控制信號，觸發(fā)三極管的導通和關閉實現電流的流向變化控制電磁閥，如果PINl是高電平Q1導通，通過施密特觸發(fā)器后Q4也導通，電流流向是從右到左，如果PIN2是高電平Q2和Q3導通，電流流向是從左到右，由于采用脈沖施密特觸發(fā)，即只在啟動和關閉電磁閥過程中消耗電量，這個過程類似于直流電機H橋驅動電路正反轉電路，所以電路簡單可靠。電磁閥驅動電路如圖6所示。 2系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)軟件的編寫平臺采

11、用HP info Tech的code—VisionAvR，該平臺雖然不帶nRF24L01的頭文件庫，但是自帶的sPI庫文件會使編程更加方便。本文主要介紹主站和分站的軟件設計思路。 2 1主站系統(tǒng)軟件 主站是系統(tǒng)的核心，主要接收分站的濕度轉換的數據，并根據濕度數據的高低控制電磁閥的動作。由于nRF24ml是采用sPI控制的，所以要配置好主站單片機的sPI的工作方式，用到的寄存器包括AVR單片機內部的sPcR，sPsR，sPDR。每位寄存器都是8位的，要和nRF24LDl的寄存器區(qū)別開來。由于主站大部分工作在接收時間上，所以配置寄存器位PRIM—Rx為高，打開所有使用的接收數據通道EN—R

12、xADDR寄存器，設置好自動應答寄存器EN—AA，并能實現數據寬度調節(jié)Rx—Pw—Px。最后，設置cE為高啟動接收模式，接收到數據包后需要校驗數據的地址和cRc檢驗，如果都正確，并可以識別是哪個分站發(fā)送的數據，AvR單片機將數據以合適的速率通過sPI口將數據讀出。當主站工作在發(fā)送狀態(tài)時，主要是AVR單片機根據預先設定好的程序，隨著濕度數據變化發(fā)送控制電磁閥的信號。由于大棚內的濕度變化是緩慢的，所以程序設計中要有PID算法，將計算好超調量等數據寫入PID算法子程序當中，更好地控制電磁閥工作，達到節(jié)水的目的。 2．2分站系統(tǒng)軟件 分站系統(tǒng)軟件包括發(fā)送濕度數據到主站和應答主站命令，并控制電磁閥動

13、作，期間要監(jiān)控濕度信號，配合好主站的PID算法，達到一種實時操作的目的。 nR砣4Lol工作在發(fā)送狀態(tài)幾乎和接收模式相反，配置寄存器位PRIM—Rx設置為低，將濕度數據通過sPI寫入到Tx—ADDR和Tx—PLD中，有且只有csN為低 的時候發(fā)送數據是不斷被寫人的，并設置cE為高，啟動發(fā)射。注意cE高電平持續(xù)時間最小為10斗s，在這里設置sPI功能函數的時候一定記得在頭文件聲明使用了sPI函數，如#include。具體使用的函數如下： unsigned char spi(unsigned char data)； 調用該函數前必須要設置sPI控制寄存器sPcR，即對s

14、PcR賦值。該函數的功能是發(fā)送1個字節(jié)，同時接收1個字節(jié)，sPl函數通訊使用查詢方式，所以不需要設置sPI中斷允許標志位sPIE。下面是主從機 配置子程序： 3結語 本設計提出一種以無線射頻模塊nRF24IDl和AVR單片機構成的網絡來傳輸物理量數據，并控制電磁閥動作的蔬菜大棚自動灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構簡單，靈活性較高，節(jié)約了大面積布線的成本，也降低了故障率。檢測的數據可以實時上傳，并根據數據的變化做出實時控制。然而，設計中不免存在其他遙控設備的2．4G干擾和PID算法不科學等問題，希望通過配置跳頻方法消除干擾，改良傳統(tǒng)的PID算法，已達到更加節(jié)水的目的。 托普物聯網是浙江托

15、普儀器有限公司旗下的重要項目。浙江托普儀器是國內領先的農業(yè)儀器研發(fā)生產商，依據自身在農業(yè)領域的研發(fā)實力，和自主研發(fā)的配套設備，在農業(yè)物聯網領域嶄露頭角！ 托普物聯網以客戶需求為源頭，結合現代農業(yè)科技、通信技術、計算機技術、GIS信息技術，以及物聯網技術，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。 托普物聯網三大系統(tǒng)產品 我們知道物聯網主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應用層。因此托普物聯網產品主要以這三個層次延伸，

16、涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設備）、傳輸系統(tǒng)（數據傳輸處理網絡）、應用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。） 托普物聯網模塊化智能集成系統(tǒng) 托普物聯網依據自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。 1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據各類傳感設備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數據監(jiān)測的功能。 2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠程控制異地園區(qū)進行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風機，自動補光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農業(yè)生產所需的自動控制。 3、視頻監(jiān)控模塊：即實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或

17、異地互聯網上既可隨時看到作物的實時生長狀況。 4、預警模塊：即遠程植保預警系統(tǒng)。可以通過聲光報警、短信報警、語音報警等方式進行預警。 5、溯源模塊：即農產品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農產品從種植準備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實施實時信息自動記錄，有據可查，在儲藏、運輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術對各個階段數據記錄，這樣就能實現消費者拿到農產品時通過終端設備或網絡就能查看到各類信息，才能放心食用。 6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^總控室對整個區(qū)域情況進行監(jiān)測，包括各個區(qū)域采集點參數、控制作業(yè)狀態(tài)、實時視頻圖像、施肥噴藥狀況

18、、報警信息等。 參考文獻： [1]劉俊巖，張海輝，胡瑾，等基于z-gBee的溫室自動灌溉系統(tǒng)設計與實現[J]農機化研究，2012，34(1)：111—114 [2]蔣鼎國，張宇林，徐保國節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設計一基于wsN和模糊控制策略[J]農機化研究，2012，34(2)：167—171 [3] 楊久紅，王小增基于LPC2103的稻田自動灌溉系統(tǒng)[J]農機化研究，2叭1，33(2)：80—83 [4] 張洋，韓文霆作物灌水量決策支持系統(tǒng)開發(fā)[J]農機化研究，20n，33(2)：147—149 [5]張濤DPSQKS一1型灌溉自動控制器的研制[J]．農機化研究，2011，33(6)：84—86． [6] 高軍，任守華，朱景福農業(yè)灌溉遠程控制系統(tǒng)的設計[J]農機化研究，20ll，33(7)：11l一113． [7] 張麗紅，孫磊，倫翠芬，等基于cAN總線的連棟溫室節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)[J]農機化研究，2011，33(6)：168—170 [8]石建飛，劉超，李愛傳，等基于PLc的農田自動灌溉無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]．農機化研究，20u，33(11)：28—31，