基于單片機(jī)的蔬菜大棚農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

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1、基于單片機(jī)的蔬菜大棚農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)研究設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的蔬菜大棚農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)研究設(shè)計(jì) 摘要：隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的提高．農(nóng)業(yè)灌溉逐步發(fā)展到自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。為此，介紹一種基于單片機(jī)和射頻模塊nRF24Lol來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，利用多點(diǎn)濕度傳感器檢測環(huán)境濕度的蔬菜大棚自動(dòng)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(shí)時(shí)濕度數(shù)據(jù)，并由主站處理后發(fā)送控制信號(hào)控制分站的電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。 關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)；AvR單片機(jī)；無線射頻技術(shù) O引言 隨著我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的提高，農(nóng)業(yè)灌溉由以往的人工灌溉發(fā)展到現(xiàn)在的自動(dòng)灌溉，并且在多種地形和條件下使用，效果都

2、非常不錯(cuò)。但是，這種灌溉系統(tǒng)也有不少缺點(diǎn)，如不能檢測當(dāng)前環(huán)境的濕度，只是按照灌溉時(shí)間間隔來進(jìn)行控制；遇到比較大的種植面積，布線非常復(fù)雜，電纜需要做防水保護(hù)，制作成本和維護(hù)成本都非常高。所以，考慮到農(nóng)業(yè)灌溉的特殊性，本文提出了一種新型的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，適用于多種農(nóng)業(yè)種植環(huán)境，以蔬菜大棚自動(dòng)灌溉系統(tǒng)為例，從硬件和軟件設(shè)計(jì)方面分析：首先，布線方面不采用傳統(tǒng)的線路鋪設(shè)，而采用無線射頻模塊傳輸數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，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(jī)具有的sPI方式，來控制發(fā)送和接收無線傳輸模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并可靠地控制電磁閥動(dòng)作，利用單片機(jī)控制具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，并且可以移植到各種實(shí)時(shí)操

3、作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；最后，蔬菜大棚室外降雨等因素可以忽略，使程序更加穩(wěn)定，并能有效的節(jié)約維護(hù)成本。 1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)由主站和分站組成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中1個(gè)主站，多個(gè)分站，本設(shè)計(jì)中以3個(gè)分站為例，每個(gè)分站上其他電路由一個(gè)濕度傳感器、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和電磁閥構(gòu)成。主站與分站之間距離理論不超過l km，實(shí)際50m即可。主站和分站的核心都是利用AVR單片機(jī)控制操作，主站單片機(jī)：主要接收濕度數(shù)據(jù)并處理，然后發(fā)送數(shù)據(jù)到相應(yīng)分站，分站的單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后響應(yīng)主站命令，從而控制電磁閥動(dòng)作。 1．1 AVR單片機(jī) 本設(shè)計(jì)中采用ATMEL公司8位單片機(jī)AT．m89a8L。該單片枧是ATMEL公

4、司2002年第一季度推出的一款新型AVR高檔單片機(jī)，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(jī)，工作電壓范圍在2．7～5，5V，ATmega8L內(nèi)部集成了8kB在系統(tǒng)自編程FLAsH，可擦寫次數(shù)達(dá)到了10000次，具有獨(dú)立的鎖定為可選Boot代碼區(qū)‘，這可以通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程實(shí)現(xiàn)讀寫的同時(shí)性。片上還集成了512字節(jié)的EEPROM，擦寫次數(shù)也達(dá)到了10 000次，lkB片內(nèi)的sRAM可以大幅提高編程的可靠性，用戶可以通過對(duì)鎖定為進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)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．meg

5、a8L是基于先進(jìn)的RIsc結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，由130條指令構(gòu)成，大多數(shù)指令執(zhí)行的時(shí)問為單個(gè)時(shí)鐘周期，內(nèi)部具有32個(gè)8位通用工作寄存器構(gòu)成，AT—mega8L單片機(jī)主要是將32個(gè)通用寄存器和130條指令結(jié)合在一起，所有的通用寄存器都與ALu(算術(shù)邏輯單元)直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時(shí)訪問(讀寫)兩個(gè)獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，AThega8在16MHz的工作狀態(tài)下可以達(dá)到16MIPs的性能，運(yùn)行速度比過去基于cIsc結(jié)構(gòu)的5l單片機(jī)高出近10倍。由于AT—mega8L是不帶ⅡAG接口的，所以要對(duì)ATmega8L在

6、線仿真另接一個(gè)仿真器或者采用ATmega88來做前期的開發(fā)。批量生產(chǎn)時(shí)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(jù)nR砣4LDl的典型電壓3．3V匹配電源，即單片機(jī)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(diào)試用的，方便系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)及日后升級(jí)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(diǎn)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(shù)傳等不需要申請(qǐng)?jiān)S可證就可以使用的。

7、該芯片最高工作速率達(dá)到了2Mbps，高效G聆K調(diào)制，抗干擾能力較強(qiáng)，適合工業(yè)控制場合，因?yàn)槭敲庠S可證的頻段，所以在同一地區(qū)使用該頻段的設(shè)備也相對(duì)多一些，為了避免誤操作，芯片內(nèi)部固有126個(gè)頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要，并且內(nèi)置硬件的cRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)路由地址控制。該芯片最大的特點(diǎn)還是采用軟件設(shè)定地址的功能，即收到本機(jī)地址才會(huì)有輸出數(shù)據(jù)，這個(gè)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(jī)使用，特別是支持硬件sPI的單片機(jī)，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AV

8、R單片機(jī)通信； IRQ：中斷標(biāo)志位； VDD：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(nèi)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(zhǔn)電流參考端； 以上需要和單片機(jī)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(huì)造成芯片永久燒毀。nRF24L0l的時(shí)序圖如圖3和圖4所示。 可以看出，在發(fā)送模式下，數(shù)據(jù)的高位在前，低位在后，每寫一位都要返回一個(gè)狀態(tài)字，每次寫操作

9、都可以讀回一個(gè)完整的狀態(tài)字，保證最大限度地不丟包。 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(guān)機(jī)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(shè)計(jì)中，采用Enhanced sho＆BurstTM模式。這種模式下，軟件編程會(huì)稍微簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。nR砣4加1的應(yīng)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

10、數(shù)按照各個(gè)功能分解，以便于程序移植和修改。 1．3電磁閥驅(qū)動(dòng)電路 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路是由2個(gè)NPN和2個(gè)PNP三極管構(gòu)成的H橋構(gòu)成，外圍觸發(fā)采用施密特觸發(fā)器組成，每個(gè)分站的電磁閥由Dc一6V供電，采用脈沖控制。分站AvR單片機(jī)從PINl和PIN2引腳輸出控制信號(hào)，觸發(fā)三極管的導(dǎo)通和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)電流的流向變化控制電磁閥，如果PINl是高電平Q1導(dǎo)通，通過施密特觸發(fā)器后Q4也導(dǎo)通，電流流向是從右到左，如果PIN2是高電平Q2和Q3導(dǎo)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(dòng)和關(guān)閉電磁閥過程中消耗電量，這個(gè)過程類似于直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路正反轉(zhuǎn)電路，所以電路簡單可靠。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖6所

11、示。 2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的編寫平臺(tái)采用HP info Tech的code—VisionAvR，該平臺(tái)雖然不帶nRF24L01的頭文件庫，但是自帶的sPI庫文件會(huì)使編程更加方便。本文主要介紹主站和分站的軟件設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，并根據(jù)濕度數(shù)據(jù)的高低控制電磁閥的動(dòng)作。由于nRF24ml是采用sPI控制的，所以要配置好主站單片機(jī)的sPI的工作方式，用到的寄存器包括AVR單片機(jī)內(nèi)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(shí)間上，所以配置寄存器位PRIM

12、—Rx為高，打開所有使用的接收數(shù)據(jù)通道EN—RxADDR寄存器，設(shè)置好自動(dòng)應(yīng)答寄存器EN—AA，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寬度調(diào)節(jié)Rx—Pw—Px。最后，設(shè)置cE為高啟動(dòng)接收模式，接收到數(shù)據(jù)包后需要校驗(yàn)數(shù)據(jù)的地址和cRc檢驗(yàn)，如果都正確，并可以識(shí)別是哪個(gè)分站發(fā)送的數(shù)據(jù)，AvR單片機(jī)將數(shù)據(jù)以合適的速率通過sPI口將數(shù)據(jù)讀出。當(dāng)主站工作在發(fā)送狀態(tài)時(shí)，主要是AVR單片機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序，隨著濕度數(shù)據(jù)變化發(fā)送控制電磁閥的信號(hào)。由于大棚內(nèi)的濕度變化是緩慢的，所以程序設(shè)計(jì)中要有PID算法，將計(jì)算好超調(diào)量等數(shù)據(jù)寫入PID算法子程序當(dāng)中，更好地控制電磁閥工作，達(dá)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)

13、送濕度數(shù)據(jù)到主站和應(yīng)答主站命令，并控制電磁閥動(dòng)作，期間要監(jiān)控濕度信號(hào)，配合好主站的PID算法，達(dá)到一種實(shí)時(shí)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(shè)置為低，將濕度數(shù)據(jù)通過sPI寫入到Tx—ADDR和Tx—PLD中，有且只有csN為低 的時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)是不斷被寫人的，并設(shè)置cE為高，啟動(dòng)發(fā)射。注意cE高電平持續(xù)時(shí)間最小為10斗s，在這里設(shè)置sPI功能函數(shù)的時(shí)候一定記得在頭文件聲明使用了sPI函數(shù)，如#include。具體使用的函數(shù)如下： unsigned char spi(unsigned char data)； 調(diào)用該函

14、數(shù)前必須要設(shè)置sPI控制寄存器sPcR，即對(duì)sPcR賦值。該函數(shù)的功能是發(fā)送1個(gè)字節(jié)，同時(shí)接收1個(gè)字節(jié)，sPl函數(shù)通訊使用查詢方式，所以不需要設(shè)置sPI中斷允許標(biāo)志位sPIE。下面是主從機(jī) 配置子程序： 3結(jié)語 本設(shè)計(jì)提出一種以無線射頻模塊nRF24IDl和AVR單片機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來傳輸物理量數(shù)據(jù)，并控制電磁閥動(dòng)作的蔬菜大棚自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)上傳，并根據(jù)數(shù)據(jù)的變化做出實(shí)時(shí)控制。然而，設(shè)計(jì)中不免存在其他遙控設(shè)備的2．4G干擾和PID算法不科學(xué)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

15、，已達(dá)到更加節(jié)水的目的。 托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！ 托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)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(chǎn)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(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品 我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)

16、用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個(gè)層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺(tái)。） 托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng) 托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)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(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個(gè)園區(qū)或完成對(duì)異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)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(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。 3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是

17、通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長狀況。 4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。 5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對(duì)作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實(shí)施實(shí)時(shí)信息自動(dòng)記錄，有據(jù)可查，在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術(shù)對(duì)各個(gè)階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時(shí)通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)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(duì)整個(gè)區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測，包括各個(gè)區(qū)域采集點(diǎn)

18、參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時(shí)視頻圖像、施肥噴藥狀況、報(bào)警信息等。 參考文獻(xiàn)： [1]劉俊巖，張海輝，胡瑾，等基于z-gBee的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]農(nóng)機(jī)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(shè)計(jì)一基于wsN和模糊控制策略[J]農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(2)：167—171 [3] 楊久紅，王小增基于LPC2103的稻田自動(dòng)灌溉系統(tǒng)[J]農(nóng)機(jī)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(nóng)機(jī)化研究，20n，33(2)：147—149 [5]張濤DPSQKS一1型灌溉自動(dòng)控制器的研制[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(6)：84—86． [6] 高軍，任守華，朱景福農(nóng)業(yè)灌溉遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]農(nóng)機(jī)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(nóng)機(jī)化研究，2011，33(6)：168—170 [8]石建飛，劉超，李愛傳，等基于PLc的農(nóng)田自動(dòng)灌溉無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，20u，33(11)：28—31， 基于單片機(jī)的蔬菜大棚農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)