智能农业大棚

智能农业大棚（精选9篇）

智能农业大棚 篇1

0 引 言

随着科学技术的不断发展,人们的生产对周围环境的要求也越来越高,比如农作物大棚、工厂以及一些大型机械设备,都需要实时掌握工作条件的温度、光照等。传统的人工测量方法浪费人力物力,效率低,安全性差。随着单片微型机技术的发展[1],人们已越来越多地采用单片机[2]对一些工业控制[3]系统参数进行检测和控制。与此同时,PC机具有强大的监控和管理功能,而单片机则具有简洁、灵活、快速的控制特点。通过PC机的RS 232串行接口与外部设备进行通信,是现在测控中常用的一种通信解决方案,所以PC机与单片机之间的通信具有非常重要的现实意义。

1 系统硬件总体设计

系统总体设计是基于上位机利用串口通信与单片机环境监控系统设计,由上位机、通信接口和下位机三部分组成。微控制器采用STC89C52[4];光传感器采用TSL2561;温度传感器采用DALLAS公司生产的 DS18B20[5]。单片机将传感器采集到的数据通过串口通信方式传输给PC机[6],PC机将获得的数据实时显示在监控画面中,同时实时显示温度曲线和光照曲线。系统总体结构如图1所示。

1.1 控制模块功能

主控板采用一片STC89C52作为控制器。STC89C52是一个高性能CMOS 8位单片机,片内含8 KB可反复擦写的FLASH ROM和256 B的RAM。STC89C52性能优越且成本低,非常适合应用于本系统。核心控制模块STC89C52的主要功能是负责将传感器所采集的数据进行处理,通过RS 232串口通信接口传输到上位机,同时,将数据实时显示到LCM12864液晶屏上。当自动判断所采集到的数据高于设定数值时,立即启动相关的蜂鸣器,完成报警功能。

1.2 串口通信模块

该模块采用RS 232,它是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准,采用异步传输方式,其特点是使用简单,价格低廉。它将单片机采集到的数据传送到上位机中,实现远程监控。

1.3 光采集模块

TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程、灵活配置的光强度数字转换芯片,它是光-数字转换器,单片机通过I2C总线从TSL2561内部获得CH0和CH1通道的数值,通过软件计算,将所采集到的数字信号转换为lux的光学单位,最后将光强转换成数字信号输出。光强算法如下:

For 0 < CH1/CH0 _ 0.52 Lux = 0.0315 _ CH0-0.0593 _ CH0 _ ((CH1/CH0)1.4)

For 0.52 < CH1/CH0 _ 0.65 Lux = 0.0229 _ CH0-0.0291 _ CH1

For 0.65 < CH1/CH0 _ 0.80 Lux = 0.0157 _ CH0- 0.0180 _ CH1

For 0.80 < CH1/CH0 _ 1.30 Lux = 0.00338 _ CH0-0.00260 _ CH1

For CH1/CH0 > 1.30 Lux = 0

1.4 温度采集模块

DS18B20是数字温度传感器,它提供9位二进制温度读数,其为单线结构,信息经由单线接口送入DS18B20或输出DS18B20。在该设计中,可以自行设置高温警报数值上限,当温度高于设定值时,则启动蜂鸣器,提示采取相应的措施。

1.5 显示模块

该显示模块采用LCM12864液晶显示,其模块内置字库,链接方便,显示质量高,且成本低。它主要显示系统光强信息和温度信息的采集,以及定时器计数值,以便系统的整体调试和现场观看。

1.6 串口软件模块

在VC 6.0下,采用其自带的MSComm控件,可以实现单片机与PC机的串口通信,利用RS 232实现数据的接收。在此,选择com1口,波特率为9 600 b/s,以二进制方式检取数据,

主要代码如下:

m_ctrlComm.SetCommPort(1); //选择com1

m_ctrlComm.SetSettings("9600,n,8,1"); //波特率9 600 b/s,无校验,8个数据位,1停止位

m_ctrlComm.SetInputModel(1); //1表示以二进制方式检取数据

1.7 数据存储模块

在完成数据接收之后,就要将数据存储到Access数据库中,数据库中的变量与接收的数据完全对应。在Access 2000中创建数据库biao.Mdb,添加对ODBC数据库的支持, 在项目stdafx.h文件中添#include<afxdb.h>,完成ODBC类的加入。采用ODBC访问Access 2000数据库, 存储速度快,内存消耗少,操作简单。

1.8 上位机数据读取和曲线显示模块

通过软件VC 6.0编程,将采集到的数据在PC机上进行曲线显示。本模块采用VC 6.0自带的teechart8控件编写,此控件具有很好的绘制实时曲线功能,操作简单。 上位机检测界面如图2所示。

2 系统软件设计

该设计中单片机部分采用模块化设计,通过Keil公司开发的μVision 4编译器用C语言编写[7],主要包括光强采集、温度采集、液晶显示,以及串口发送模块程序[8]。上位机部分在VC 6.0环境下,通过VC++语言进行编写[9],其中包括串口通信、数据库保存和曲线绘制模块[10]。上、下位机主程序流程图如图3、图4所示。

3 结 语

本文基于STC89C52,在VC 6.0的环境下提供了一种农业大棚光照与温度检测系统。其光传感器TSL2561和温度传感器DS18B20均是高精度测量传感器,是一个具有高精度、远程监控的检测系统。上位机界面为友好的动态曲线观测,可供用户方便地查看和记录数据。同时,本设计的下位机还可以实现多点测控,具有很强的扩展能力,性价比高,实用性强。

参考文献

[1]刘湘涛.单片机原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[3]张箐.单片机温度控制系统方案的研究[J].上海交通大学学报,2007,14(1):144-146.

[4]潘永雄.新编单片机原理与应用[M].西安:西安电子科技大学,2003.

[5]黄河.基于DS18B20的单总线数字温度计[J].湘潭师范学院学报:自然科学报,2008,30(4):278-280.

[6]王福瑞.单片微机测控系统大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[7]龚运新.单片机C语言开发技术[M].北京:清华大学出版社,2006.

[8]谭浩强.C程序设计题解与上机指导[M].北京:清华大学出版社,2000.

[9]孙鑫.VC++深入详解[M].北京:电子工业出版社,2006.

[10]王正军.Visual C++6.0程序设计从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2006.

智能农业大棚 篇2

学生姓名 学院

学 号

计算机科学与技术学院

物联网工程 专

业

题

目 智能农业大棚环境监视系统的设计与实现 指导教师

2016 年 月 1 日

目录

1引言.............................................................................................................错误！未定义书签。

1.1智能农业大棚应用的背景...............................................................错误！未定义书签。1.2智能农业大棚设计的目的与意义...................................................错误！未定义书签。2监视系统ZigBee网络设计方案...................................................................................................1 2.1 ZigBee网络技术简介（这个抄一下老师给我们的那个参考）.....................................1 2.2两种典型网络配置结构...................................................................错误！未定义书签。

2.2.1两层网络，系统由两类点构成：........................................错误！未定义书签。2.2.2三层网络，系统由三类点构成：..........................................................................3 3智能农业大棚控制系统的总体方案............................................................................................3 3.1智能农业大棚的特点.................................................................................................................3 3.2设计的总体思路.........................................................................................................................4 3.3系统分为三个模块（说一说各部分的功能与工作的流程）.........................................5 3.3.1 ZigBee无线传感节点...........................................................................................5 3.3.2 ZigBee数据汇聚节点...........................................................................................5 3.3.3 控制系统...............................................................................................................6 3.4无线传感器网络拓扑连接图.............................................................................................6 4 结论..............................................................................................................................................6 4.1 系统应该完成的功能........................................................................................................6 4.2心得体会和感悟.................................................................................................................7 参考文献...........................................................................................................................................7

引言

1.1智能农业大棚应用的背景

在我国智能农业大棚控制系统还处于发展阶段，特别是传统农业与现代自动化控制技术相结合的研究成果还不够成熟。在传统的农业大棚中，浇水、通风，灯光等控制全凭经验、靠感觉。对农业大棚内的温度、湿度、光照、二氧化碳的浓度、土壤的酸碱度等环境参数都需要靠人工进行采集，这样的传统农业大棚不仅大大耗费人工成本，而且还会因为监测不到位而使农业大棚的环境得不到保障。因此智能的农业大棚应运而生。

1.2智能农业大棚设计的目的与意义

目的：

1)通过智能化的设计使得大棚的环境得到自动监视，便于管理员通过手机进行实时监查与管理。

2)将大棚内农作物的生长环境与温室环境有机结合，分析数据并确定适合温室大棚的控制系统。

意义：大大的缩减了人工巡查的成本，同时更加高效的实现了人工智能自动监管，使得农业大棚向信息化，网络化，智能化的方向发展。

2监视系统ZigBee网络设计方案 2.1 ZigBee网络技术简介

ZigBee是一组面向低速无线个人区域(LR-WPAN)的双向无线通信技术标准。它是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。其MAC层和物理层协议使用了IEEE 802.15.4标准，ZigBee联盟对网路层协议和API（应用层）进行了标准化，同时还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。与Wi-Fi,Bluetooth等其他无线接入技术相比，ZigBee具有的优势如下：

1、功耗低：工作非常省电，支持休眠状态。由于周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确报两节5号电池支持6个月至两年左右的使用时间；

2、工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(250Kb/s)、915MHz(40Kb/s)、和868MHz(20Kb/s)均为无须申请的ISM频段；

3、低成本：由于传输速率低，并且协议简单，降低了成本，另外使用ZigBee协议可以免专利费；

4、组网灵活、网络容量大：ZigBee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一场网络节点管理，最多可支持达65000个节点。

5、安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。

6、高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。ZigBee网络具有三种拓扑结构，如图2-3所示。

图2-3 ZigBee网络拓扑结构图

1、星形拓扑结构：节点之间只有唯一的一条路径

2、树状拓扑结构：当从一个节点向另一个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点，然后再向下传递到目标节点。

3、网状拓扑结构：网状拓扑结构是一种特殊的、按多跳方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有多种强大的自组织、自愈功能。网络可以通过“多跳”方式通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。

2.2两种典型网络配置结构

2.2.1两层网络，系统由两类点构成：

无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线

土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等；

无线网关节点，包括Wi-Fi无线网关或GPRS无线网关。

该结构适用于园区已经有Wi-Fi局域网覆盖，或是可以采用GPRS直接上传数据的场景。在此结构中，只需要在合适的区域部署无线网关，即可实现传感器数据的采集和上传。（本次我所使用）

2.2.2三层网络，系统由三类点构成：

无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等；

无线网关节点；

数据路由器。

该结构适用于园区没有Wi-Fi局域网覆盖，也不准备采用GPRS直接上传数据的场景。在此结构中，需要部署数据路由节点和无线网关，无线网关与数据路由节点之间以长距离无线通信方式进行数据的交换，在区域较大，节点间通信距离不足时，无线网关还可以相互之间进行自动数据中继，扩大监控网络的覆盖范围。

3智能农业大棚控制系统的总体方案 3.1智能农业大棚的特点

通过使用智能无线节点CC2530模块形成的小型局域网（如下图所示）。红色为协调器模块（小型无线网络的网关），黄色为功能模块（子节点包括：温湿度采集模块、数字量输入/输出模块等）。

智能农业大棚事实的流程图

3.3系统分为三个模块

3.3.1 ZigBee无线传感器节点

根据总体设计的要求，ZigBee无线传感节点作为数据的采集节点，负责将温室大棚里的温湿度传感器，光照强度传感器，二氧化碳传感器等采集到的数据发送到ZigBee数据汇聚节点，即CC2530智能无线节点。

3.3.2 ZigBee数据汇聚节点

智能温室大棚系统设计 篇3

关键词：农业物联网,温室大棚,无线网络传输

1 概述

农业物联网技术在温室大棚系统之中, 利用各种传感器设备, 例如:光照传感器、PH值传感器、温湿度传感器、CO2传感器对环境中的光照强度、PH值、温湿度、CO2浓度这些物理量参数进行检测, 然后利用各种仪表仪器进行实时的显示或者作为参数变量参与系统的自动控制, 以保证温室大棚系统内有一个适宜的、良好的环境给农作物生长。在远程控制模块中, 技术人员可以在控制室内检测以及控制多个大棚的环境。农作物生长条件是通过无线网络进行测量的, 这样就可以给精确的调控温室环境提供可靠的科学依据, 从而达到调节生长周期、改善品质、增加产量、提高农作物的经济效益的目的[1]。

2 系统硬件设计

本系统由协调器节点创建无线网络, 并接受来自传感器子节点的Zigbee模块的采集数据, 通过对数据的处理向控制器子节点发送控制信息。其中传感器节点与单片机MSP430 和STM8 通过串口连接实现数据的发送, 单片机对相应的传感器采集到的模拟量或者读取的数字量进行处理后发送给Zigbee模块。控制器节点也通过串口与单片机实现数据收发, 单片机通过对I/O口的控制驱动直流电机等执行器[2]。

2.1 终端节点传感器模块硬件设计

根据对大棚控制的要求, 系统需要采集大棚温湿度、光照以及地面湿度这些参数, 所以我们需要利用到光照传感器、温湿度传感器、地面湿度传感器与微型控制器[3]。

我们采用的光照传感器模块是以光敏电阻为主的传感器。它是基于敏电阻内光电效应的工作原理, 当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加, 光敏电阻两端电压增大, R4 两端电压减小。周围的光线变强时引起光敏电阻的阻值减小, 光敏电阻两端电压减小, R4两端电压增大[4]。

温湿度传感器选择使用了DHT22, DHT22 采样周期间隔时间不得低于2S。DATA数据接口为单总线接口, 用于微控制器与模块的通讯与同步, 采用单总线数据格式, 一次通讯时间大约为5ms, 输出数据为40 个bit位并且高位先出。

土壤湿度传感器模块由一个LM393 低功率低失调电压双比较器为主体。

文章选择了STM8S103F3 基础性微控制器, STM8 具有3 级流水线的哈佛结构, 该MCU内部高度集成了内部时钟振荡器, 3V-5.5V的宽工作电压。然而相对于其他的8 位MCUSTM8 最高fcpu频率可以达到24MHZ, 当cpu小于或等于16MHZ时为0, 等待的存储器访问。

2.2 终端节点执行器节点硬件设计

本系统中的执行器包括步进电机、直流电机、LED灯、水泵四个。步进电机带动大棚顶部的卷帘, 当棚内温度低时拉上卷帘避免温度过低, 直流电机带动叶片, 可以保持棚内空气流通, 当土壤湿度不够时开启水泵实现自动灌溉, 光照强度不足时开启LED灯补充光照[5]。

文章用到了水泵来调节土壤的湿度, 风扇用来增加空气对流, 降温等目的。对于水泵和风扇的驱动都选择了L9110 驱动芯片, L9110 有低静态工作电流宽电源电压 (范围为2.5V至12V) , 每条通道都具有800m A连续电流输出的能力以及较低的饱和压降, 兼容TTL/CMOS输出电平, 可直接连接到CPU的IO引脚, 输出内置钳位二极管, 比较适用于感性负载, 控制和驱动集成于单片IC内部, 具有管脚高压保护等功能。

2.3 Zigbee模块硬件设计

本系统选择CC2530 作为Zigbee模块的主要芯片, CC2530 芯片集成了实时时钟, 两个可编程USART, 用于主/从SPI或者UART操作, 上电复位, 可编程看门狗等。CC2530 在单个芯片上整合了Zig-bee射频前端, 内存和微控制器, 使用1 个8 位MCU (8051) , 具有128KB可编程闪存和8KB的RAM。电源电路核心芯片是LM1117, LM1117 是一个低压差电压调节芯片, 它的压差在输出负载电流为800m A时为1.2V。LM1117 可以提供电流限制和热保护, 电路包含了1 个齐纳调节的带隙参考电压, 以确保输出电压的精度在正负1%之内。LM1117 主要应用于开关DC/DC转换器的主调压器, 电池充电器以及电池供电装置等方面, 文章主要用LM1117 作为开关DC/DC转换器的主调压器实现直流5V到流3.3V的转换。

3 系统软件设计

本系统主要涉及到STM8、MSP430G2553 和CC2530 三个MCU的程序编写, 其中STM8 主要用于处理传感器模块, 而CC2530 用于建立Zigbee网络及无线数据收发MSP430G2553 主要用来控制电机, 水泵等执行器。STM8 与CC2530 程序的编写基于IAR编译环境MSP430 基于CCS环境。STM8 的程序主要以库的形式编写, STM8为16MHZ, 8 位低功耗单片机, 2.95 到5.5V的工作电压范围, 10 位AD模数转换器, 最多5 路通道, 支持扫描模式。带有同步时钟输出的UART等功能。

本系统中设计到的三个传感器分别为温湿度传感器、光照强度传感器和土壤湿度传感器, 然而三个传感器中光照强度和土壤湿度传感器都需要用到单片机的AD转。

Zigbee网络的建立由协调器发起, 网络协调器是整个网络的中心, 主要有建立、管理、维持网络以及分配终端节点的十六位短网络地址等功能, 因此协调器也被认为是Zigbee网络的大脑。文章选择星型拓扑结构, 这种拓扑结构的特点在于Zigbee网络中协调器是唯一的, 考虑到温室大棚的监控区域性, 所以选择星型拓扑结构比较合适。星型拓扑结构中, 所有终端设备只可以和协调器之间进行通信, 节点之间的通讯需要通过协调器中转。建立星型网络的过程中, 协调器是作为发起设备, 协调器被激活后, 它就建立起网络, 并作为PAN协调器, 路由设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络, 不同PAN标识符的星型网络中的设备之间不能通讯。协调器与按键模块通过窗口相连, 一旦协调器收到来自按键模块的信息就调用回调函数将对应的信息发送至终端执行器节点。

4 结束语

文章设计的采用Zigbee无线传感器网络技术开发的经济型大棚智能测控系统, 是一种集监、控、管于一体的大棚温室智能化监控设施, 结合了计算机自控技术, 为作物创造相对于传统农业更好的生长条件, 避免了外界四季变化和恶劣气候的影响, 以达到促进生长发育, 并提高农作物质量、产值产量, 提高土地的使用率, 实现资源的节约等目的。温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利, 所以得到了迅速的推广和应用。

参考文献

[1]青岛东合信息技术有限公司.Zigbee开发技术及实践[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2014.

[2]陶平.基于Zigbee的温室大棚智能监控系统的研究[D].四川:西华大学, 2012.

[3]王小强, 欧阳骏, 黄宁淋.Zigbee无线传感器网络设计与实现[M].北京:化学工业出版社, 2012:63-66.

[4]温室系统开发指导书[Z].北京凌阳大学计划技术资料, 2011.

智能生态大棚优点介绍 篇4

目前的市场状况是我们农村大部分农业采用有线通信方式。大量电缆的铺设造成了很多不必要的浪费，再加上设施农业空间分布广布线相对比较困难，信息采集也比较困难。而我们的产品优势就体现在这个难题上面，它解决了上述难题，将人类尤其是广大农民的双手从劳动中解放出来，响应了服务三农的国家政策方针。并且我们的产品使植物的生长不再纯粹的依靠添加化学药剂，做到了绿色化生产，让绿色生活落实到实处。

我们的产品设计充分的考虑到延长光照的同时避免了大面积害虫灾害。设计中操作人员让上位机操控中心发送指令让补光灯模块进行补光的同时，趋光性单元模块启动趋光除虫，为植物提供无虫害的夜晚生长环境。

我们的产品因为成本低、寿命长、适应能力强，可广泛应用于花卉生产等生产作业中。就目前市场来看还没有这样集体化与智能化的作业。所以潜力无限。

我们的产品进行了模拟真实环境中的各种测试最终验证了设计的正确性及可行性，以及系统功能的稳定性和实用性。

我们的产品定位是做顾客需求的产品，其低功耗、低成本、易操作、寿命长特别适合大规模应用形成规模效益。

智能农业大棚 篇5

茶树[Camellia sinensis (L.) Kuntje]属于亚热带常绿植物, 大多生于中国亚热带的常绿阔叶雨林和季雨林的森林群落之中, 并处于森林林冠层之下, 经过长期发育, 形成耐荫湿、喜漫射光的生态习性[1]。

为了满足名优茶发展需要, 在我国江北茶区, 尤其是山东、河南等地, 采用塑料大棚进行茶树栽培。塑料大棚茶园是一种用塑料薄膜覆盖茶园的设施栽培形式, 自20世纪90年代以来, 随着名优绿茶发展的需要, 逐渐应用到茶树上, 是冬春季温度较低, 或易受“倒春寒”危害的茶区为提早名优茶开采期而经常采用的一种新型栽培技术。采用塑料大棚进行茶树栽培, 能缩短冬季休眠时间, 使茶树提前萌发, 增加茶叶采摘轮次, 促进新梢生长, 从而提高茶叶产量。而且通过大棚创造适宜的环境条件来控制茶树生长发育, 还可实现在盐碱地、沙漠等非可耕地上进行生产, 大幅度提高土地资源、水资源和光热资源利用率[2], 从而实现农业高产、优质、高效、可持续发展。茶树的大棚栽培已成为江北茶区茶树栽培的基本模式之一[3]。

一般说来, 茶叶鲜叶质量的好坏直接决定于其所生长的生态环境[4]。茶园中光照强度、空气温湿度、土壤肥力等生态环境因子的变化都会对茶叶的生长和品质产生一定的影响[5]。塑料大棚属于封闭或半封闭的环境, 可利用自动控制、计算机等技术调节和改善茶树生长所需的温度、湿度和光照等参数[6], 创造茶树适宜生长的生态环境。

20世纪90年代后, 无线技术的广泛应用使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展。尤其以Zigbee无线技术为主的物联网系统, 使得精准农业的技术体系广泛运用于生产实践成为可能。本文根据茶树生长对环境参数的需求, 研究设计了基于无线通信技术的塑料大棚茶园智能监控系统。

1 茶树生长的环境参数及控制要求

1.1 温度

茶树原属亚热带植物, 适宜生长的温度为17~25℃, 过高或过低的温度会造成茶叶减产, 甚至绝收。大棚白天温度控制在25℃左右为宜, 夜间温度不低于8℃。当大棚内气温在冬季上升到25℃、春季上升到30℃时就应通风降温, 当气温下降到20℃以下时再关通风口保温;一般晴天可在上午10∶00左右开启通风口, 下午3∶00左右关闭。夜间温度迅速下降时要加盖草苫子保温, 必要时要进行人工加温[7]。

1.2 湿度

最有利于茶树生长的土壤含水量为70%~80%, 超过90%时, 土壤透气性差, 不利于茶树生长。棚内的空气湿度白天为65%~75%, 夜间为80%左右[8], 最利于茶树生长。开启通风口降低湿度, 实施喷灌增加湿度, 通过地面覆盖、温度调控等措施, 将空气湿度调控在最佳范围内。

1.3 光照

茶树扦插苗的光合速率、最大光合速率、表观量子效率均在自然光强的75%时达到最大值;叶绿素含量随光强的增加而降低, 叶绿素a/b则随光强增加而增加;新生物量与最大光合速率一致, 在自然光强的75%时达到最大值[9]。棚内由于立柱和拱架的遮挡, 以及塑料薄膜的反射、吸收和折射等引起光照强度的减弱, 棚内光强仅为棚外自然光强的50%左右, 这会影响茶树叶片的光合效率, 除了选择向阳的茶园和使用透光、耐老化、防污染的透明塑料薄膜外, 人工补光则是改善冬季大棚光照条件最有效的办法。人工补光的方法是在晴天早晚或阴雨天用农用高压汞灯照射茶园[10]。

1.4 CO2

二氧化碳是茶树进行光合作用的重要物质, 二氧化碳不足是大棚茶园茶叶产量和品质的主要限制因素。日出前由于夜间茶树呼吸作用、土壤微生物活动和有机物分解释放出CO2, 大棚空气中CO2浓度可达0.05%~O.06% (棚外大气中CO2浓度一般为0.03%, 且较稳定) 。日出后, 随着茶树光合作用的增强, 棚内CO2浓度显著降低, 若晴天不通气, CO2浓度甚至可降到100μg/m L以下, 茶树几乎不能进行光合作用。因此, 大棚茶园施用CO2气肥, 可促进越冬成叶的光合作用, 提高茶叶产量和品质[11]。

2 塑料大棚茶园无线智能监控系统

根据茶树生长环境条件和控制要求, 可看出影响茶叶品质的环境因素主要有空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度, 因此, 监控系统主要的监控参数有:空气温度, 空气湿度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度, 这些参数是茶园监控的基本参数, 根据实际需要还可以设置室外气象站 (主要有室外温度、室外湿度, 风向、风速, 雨量和光照度) 和视频监测。控制输出的设备有通风口、草苫 (或棉被) 、高压汞灯和CO2施肥机等。

茶园无线智能监控系统主要包括无线传感网络、远程数据传输、监控中心、无线控制输出以及控制策略五大模块。图1为茶园无线智能监控系统结构图。

2.1 无线传感网络

根据茶园的环境监测参数, 无线传感网络模块主要完成空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度以及视频信息的自动采集, 并将采集到的信息通过无线网络迅速高效可靠地传输到总节点。

无线传感网络主要由传感器、分节点和汇聚节点组成。传感器感知茶园的空气温湿度、土壤湿度、光照和二氧化碳等环境信息, 具有高稳定性、抗干扰能力强、测量精度高以及响应速度快等特点。

分节点和汇聚节点采用Zigbee技术, 一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。具有以下特点:

(1) 低功耗。2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月, 甚至更长, 这是Zig Bee的突出优势。

(2) 响应快。Zig Bee的响应速度较快, 一般从睡眠转入工作状态只需15ms (蓝牙需要3~10s) , 节点连接进入网络只需30ms, 进一步节省了电能。

(3) 网络容量大。可采用星状、树状和网状网络结构, 由一个主节点管理若干子节点, 最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理, 最多可组成65000个节点的大网。

因系统采用的传感器数量少, 通信距离较近, 网络组建采用星型拓扑结构算法相对简单, 又可以在很大程度上满足茶园监控的需求。

2.2 远程数据传输

现场传感器采集到的数据, 通过Zig Bee无线通信技术将其发送到总节点, 总节点通过GPRS网络和INTERNET对接, 将数据发送至远程数据监控中心, 同时监控中心发出的指令信息, 也通过GPRS网络发送至控制输出的无线总节点, 进而至控制设备, 实现茶园环境信息的无线智能调控。

2.3 监控中心

监控中心是数据管理的核心, 实现环境信息采集数据以及视频信息在工控机上的分析、处理、显示、存储与控制输出, 并可进行网络发布。具有以下功能:

2.3.1

可在线实时地连续采集和记录塑料大棚茶园监测点位的温度、湿度、光照强度、CO2浓度等各项参数情况, 以数字、图形和图像等多种方式进行实时显示和记录存储监测信息。

2.3.2

可设定各监控点位的温湿度报警限值, 当出现被监控点位数据异常时可自动发出报警信号, 报警方式包括:现场多媒体声光报警、网络客户端报警、手机短信息报警等。上传报警信息并进行本地及远程监测, 系统可在不同的时刻通知不同的值班人员。

2.3.3

智能网关提供具有信号输出协议的端口, 可接通信设备进行无线传输。

2.3.4

温湿度监控软件采用B/S结构, 能够实时在线地显示、记录各监测点的温湿度值和曲线变化, 统计温度、湿度、光照、CO2等参数的历史数据、最大值、最小值及平均值, 显示数据曲线, 可以设定报警上下限, 并可对硬件的部分参数进行远程设置 (如:将数据采样频率由10min调整至30min) 。

2.3.5

只要能够成功连接互联网的任何一台电脑都可以访问数据监测中心, 在线查看监控点位的温湿度变化情况, 实现远程监测。系统不但能够在值班室监测, 还可以随时随地非常方便地观看和监控。

2.3.6

系统能够在监测中心对数据进行分析, 形成实时曲线, 并可以柱状图、饼状图等形式进行体现, 可按Excel表格相关格式输出, 并提供下载, 还可以形成报表并打印。

2.3.7

系统设计时预留有接口, 可随时增减硬软件设备, 系统只要做少量的改动即可在很短的时间内完成配置。

2.4 控制输出模块

控制输出模块将分析处理的结果输出至茶园控制设备, 如通风口、草苫 (或棉被) 、高压汞灯和CO2施肥机等, 进行环境参数调节, 以创造茶树适宜的生长环境。

2.5 控制策略

智能监控系统的控制对象为塑料大棚内的环境系统, 其结构如图2所示。图中描述了塑料大棚环境的温度、湿度和CO2浓度等因素受外界气候的影响, 塑料大棚环境与茶树相互作用的影响, 以及塑料大棚环境受控制作用的影响[12]。从图中可以看出塑料大棚环境控制系统是一个多输入、多输出、强耦合的复杂系统, 受外界环境的干扰非常大。

塑料大棚控制系统的控制精度除了与系统硬件有关以外, 与其控制算法有着密切关系。只有采用合理的控制策略, 才能使塑料大棚环境的综合因子达到最优的控制效果, 才能使塑料大棚控制系统达到智能化的水平[13]。

在控制系统中, 采用PID控制算法, 可以实现精细控制, 使系统准确跟踪设定值, 但减小超调和提高控制精度是难以两全其美的。模糊控制可充分利用现场及专家的经验, 具有响应速度快、超调小、过渡时间短等优点。比PID控制调节速度快、鲁棒性好, 但模糊控制稳态精度欠佳, 只能实现粗略控制。

在本控制系统中, 采用PID控制算法与模糊控制相结合的分段控制策略, 当误差较小时, 使用PID控制算法, 使系统准确跟踪设定值;当误差较大时, 使用模糊控制规则确定输出, 系统响应速度快, 超调小, 取得理想的控制效果。

3 结语

茶园无线智能监控系统, 运用最新微功率无线通信技术, 数字化温度和湿度传感技术, 可实时自动监测茶园的关键点, 通过在日照塑料大棚茶园的应用, 大幅度降低了人工巡查的工作量和成本, 并对不安全状况提前预警, 改善了茶树生长的状态, 减少了病虫害的发生, 提高了茶叶的色泽、口感、香气等整体品质, 全面提升了茶园生产管理水平。调节了茶叶的采摘周期, 提高了经济效益。

摘要：研究了茶树生长所需的环境要素以及在塑料大棚种植茶树的控制要求, 进行了塑料大棚茶园无线传感网络、远程数据传输、监控中心、控制输出和控制策略设计, 采用基于MPT的分段控制策略, 研建了塑料大棚茶园无线智能监控系统。系统具有环境参数与控制状态实时显示、数据存储、趋势显示、报警显示及处理结果显示等功能, 实现了基于无线传输技术的塑料大棚茶园的智能化监控。通过在日照塑料大棚茶园的实际应用, 减少了生产成本, 改善了茶树生长的状态, 减少了病虫害的发生, 提高了茶叶的色泽、口感、香气等整体品质。

智能农业大棚 篇6

研究表明, 当前, 我国南方地区农业大棚降温技术的运用并不令人满意, 有效降温技术的研究是目前我国南方地区农业大棚建设中的当务之急。本文介绍了如自然通风、蒸发降温和外部遮阳等目前常用的降温技术, 并对其应用效果进行了探讨, 研究内容对大棚降温技术在我国南方地区农业大棚的工程应用有着十分重要的意义。

1 常用大棚降温技术

1.1 自然通风

自然通风是最经济的大棚降温方法, 主要来自于由空气或温度梯度所形成的压力差。研究人员通过对塑料连栋大棚各种通风孔的通风率进行实验, 结果表明, 卷膜通风系统较天窗通风的通风率高至2.32倍;当风速为3m/s时, 大棚棚脊的通风率比棚拱底部的通风率大60%;在相同条件下, 防虫网可以导致通风率降低18%~22%[2]。垂直天窗通风可以导致空气的温度和湿度随时间逐步下降至一个稳定的状态, 同时, 通过实验, 侧面窗口的自然通风对大棚通风率、温度、湿度和气流速度分布的影响, 结果表明, 通风率随风速呈线性增加。当农作物附近的空气流速高于棚顶附近时, 棚顶附近的温湿度比高于农作物附近的温湿度比。

通过对已有的自然通风技术研究分析, 发现风效应和浮力效应是在亚热带地区获得合适的微气候和通风率的主要控制因素。浮力效应不能完全被忽视, 但当外部风速超过2~2.5 m/s时其对自然通风的影响并不明显。因此, 针对我国南方地区的农业大棚, 在屋顶和屋脊采用相对较大的通风口可以提供良好的自然通风降温效果, 但当夏季温度过高或高温天气持续时间过长时, 最好还需配合其他的降温技术予以辅助[3]。

1.2 蒸发降温

蒸发降温是最有效的调节大棚内温湿度的降温方法, 然而其适用性受限于当地的气候。

1.2.1 湿帘风机系统

近期研究人员通过在一个占地面积约为3 072 m2的8连栋塑料大棚内使用湿帘风机系统进行试验, 结果大棚内部平均温度较外部温度降幅可达到4.8˚C左右[4]。通过对湿帘风机相关参数进行仿真实验, 显示大棚的长度和湿帘的高度对于大棚内温度的变化相当的敏感。不同材质的降温湿帘对温度、相对湿度等影响农作物生长的基本因素能产生明显的差异, 实验表明采用片状木质湿帘大棚的农作物产量最高, 稻草制湿帘大棚的产量其次, 棚外环境下的产量最低。

1.2.2 喷雾系统

该系统主要的工作原理是利用高压喷嘴将水流变成液滴直径为20~60μm的超细颗粒水雾喷入大棚, 使其迅速蒸发, 利用水的蒸发潜热大的特点, 大量吸收空气中的热量, 然后将潮湿空气排出室外从而达到降温的目的。但是这样的方法无疑会增加大棚内的湿度, 尤其是遇到南方夏季所谓的“桑拿天”, 空气湿度本身就比较大时是不太适合采用的。

1.2.3 棚顶喷淋

棚顶喷淋降温是在大棚棚顶的表面喷洒水而形成一层薄薄的自由水面, 然后利用水的蒸发作用来降低大棚内的温度, 由于蒸发率的增加使得棚内温度降至自由水面附近空气的湿球温度。夏季, 研究人员在广州测试了种植黄金叶和满天星等绿化植物的大棚的棚顶喷淋系统的降温效率[5], 棚顶内壁温度在开启喷淋系统的30 min内降低了7.5 ℃, 且一直保持在34 ℃以下, 大棚内温度较外部环境温度低5~6 ℃。棚顶喷淋相比于喷雾的好处就在于不会造成大棚内空气湿度的明显增加。

1.3 外部遮阳

通过外部遮阳的方式可以阻挡过强的阳光和辐射进入大棚内。研究人员通过2种方法测试了大棚外部遮阳的降温效果。一种是在封闭的大棚条件下进行外部遮阳, 然后采集大棚内外的温度和湿度;另一种是打开大棚顶部的窗户保持通风, 使大棚内外的环境保持在一个相对稳定的状态后, 然后展开外部遮阳, 再采集大棚内外的温湿度数据。研究结果表明:第一种方法没有太大的实际意义, 因为在封闭的大棚内, 空气无法流通反而造成温度的升高, 农作物无法生存。所以, 目前一般都采用第2种方法, 即使夏季一天中随着时间推移日照强度逐渐增强导致大棚内的温、湿度分别呈上升和下降的趋势, 但两者最终都会稳定在一个合理的范围内波动。

2 结论

中国南方地区夏季的气候特点是雨水充足、昼夜空气相对湿度相差较大、日照辐射强烈, 本文通过对自然通风、蒸发降温和遮阳三类常见大棚降温技术的研究和比较, 得出我国南方地区有效农业大棚降温技术的选择必须要结合地方的气候条件、环境资源状况、农业基础设施条件等诸多因素来综合考量, 也可以考虑采用多种降温技术的组合来获得更加理想的降温效果。

摘要：中国南方地区每年夏季的高温天气是影响农作物正常生长的不利因素之一, 农业大棚的使用成为一种在高温气候条件下保证农作物可持续生产有效且可行的选择。主要介绍自然通风、蒸发降温和外部遮阳三类夏季常用的大棚降温的技术;同时, 对这些降温方法在我国南方地区的实际应用进行了探讨。事实上, 影响降温效果的因素有很多, 如当地的气候、环境资源状况、农业基础设施条件等, 所以为了达到理想的降温效果, 不同降温技术的组合使用是十分必要的。

关键词：大棚降温,自然通风降温,蒸发降温,外部遮阳

参考文献

[1]Sethi, V.P.and Sharma, S.K.Experimental and Economic Study of a Greenhouse Thermal Control System Using Aquifer Water.Energy Conversion and Management, 2007 (48) .

[2]Wang S.X.and Wang, X.Ventilation Rate of Various Vents in Plastic Covered Multi-Span Greenhouse.Transaction of the CSAE, 2009 (25) .

[3]南方农业设施常用降温方法及其基本原理[j].广西农业科学, 2010 (7) .

智能农业大棚 篇7

远程温室大棚智能控制系统总体设计过程中, 主要是以计算机的上位机以及单片机的下位机等为核心构成系统的整体。其中, 下位机主要是由执行机构、单片机以及传感器系统等构成。在温室智能控制系统中, 传感器系统是其检测输入的模块, 即对各项环境参数进行检测, 并将其适当地转换成温室智能控制要求的各种电信号, 而传感器获取环境参数的准确性, 则直接关系着整个系统测量与控制的精度。而系统中的单片机则包括五大模块, 即主控、数据通信、数据显示、输出控制以及数据采集等模块, 因而单片机具有上传、显示、存储以及采集温室环境参数等功能, 这样就能达到统一管理温室环境资源的效果。而执行机构则主要包括自动卷帘、风电机、加湿阀以及加热法等设备, 执行机构一般通过单片机进行控制, 这样就能启动一些相关的调控设备, 例如遮阳补光、降温、加温等, 从而对温室大棚中的环境以及气候等进行合理的调节。

二、远程温室大棚智能控制系统的模块设计

(一) 单片机

远程温室大棚智能控制系统中, 其核心单片机为STC12C5A60S2, 且其内核为单片机8501, 而在此前提条件下, 该系统还增加了许多其他的功能。在核心单片机中, 其内部具有复位的专用电路, 这个电路集成了MAX810, 同时也获得了P4口的功能, 而C0H则为P4口的地址。在外部中断支持模式中, 一般具有计时器唤醒、内部掉电专用唤醒、低电平唤醒以及下降沿唤醒等。另外在单片机中, 其具有一定的转换以及集成A/D的功能, 一般是在P1口进行转换, 且A/D转换器为高速的8路10位, 其转换的速度能够达到每秒25万次, 因而具有低功耗、转换高速等优点, 非常适合用作该系统设计的主控芯片。

(二) 传感器

在该系统设计的过程中, 其涉及的传感器主要有四种, 即温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器以及烟雾传感器等。其中, 温湿度传感器为DHT11数字式符合传感器;而土壤湿度传感器则采用的是简易的YL-69型;光照强度传感器则主要采用的原装芯片BH1750FVI的ROHM;而烟雾传感器则主要采用的是MQ-2气体传感器。

(三) 蓝牙模块

在该远程智能控制系统中, 一种无线电技术获得了良好的应用, 即蓝牙技术。该技术有利于通信终端设备相互之间实现简化通信, 这样一来就能迅速高效地传输各项数据, 一般通过蓝牙模块传输数据的速率能够达到1Mb/S。在该智能控制系统设计中, 采用的蓝牙模块为HC-06, 其内部设置有2.3GHz的天线, 可以灵活地调节功率, 通常其灵敏度能够达到80d Bm, 因而非常适合该系统的标准要求。

(四) 液晶显示模块

在该系统的设计中, 液晶显示器Nokia5110一般使用模块LPH7366, 这种模块特点较多, 即能够显示四行汉字, 具有84×84的LCD点阵, 与主处理器之间可以通过串行接口完成通信, 它主要有9条信号线, 包括地在内和电源信号线等。另外其还能实现多种串行之间的协议通信, 能够实现显示数据的全速写入, 传输速率达到了4Mbps, 因此无需花费时间等待。

三、远程温室大棚智能控制系统的软件设计

在设计该系统软件的过程中, 采用的主要是C语言编程模块化方式, 并将整个系统的功能划分成各个模块。在单独设计、调试、编程以及完成各个模块之后, 再对它们进行总体的联调。远程温室大棚智能控制系统由主程序、按键扫描、系统初始化、信号采集、通信、报警、控制以及显示等子程序组成。

综上所述, 通过对远程温室大棚智能控制系统的设计研究, 可以看出, 该系统的设计与使用, 能够有效地采集温室大棚中的各种环境参数, 例如光照量、湿度、温度等, 并能利用核心单片机对这些参数进行适当的调节和控制, 这样就能创造出最佳的温室大棚生态环境, 从而有利于生物的生长发育。

参考文献

[1]董淏鸣, 衣淑娟, 赵斌, 等.基于Zig Bee的寒地水稻温室大棚智能控制系统设计[J].农机化研究, 2015 (7) :164-167.

[2]王以忠, 王盼, 彭一准, 等.基于Lab VIEW的温室大棚智能远程监控系统[J].湖北农业科学, 2015 (13) :3269-3272.

[3]孔国利, 苏玉.日照温室大棚自动卷帘机与智能通风控制系统设计[J].湖北农业科学, 2015 (24) :6386-6388.

智能农业大棚 篇8

黑龙江垦区位于世界闻名的黑土带上,是目前我国三大垦区之一,已成为我国重要商品粮基地和粮食战略后备基地,水稻是其中重要的粮食作物。水稻育秧每年3月份在标准育秧棚内需要培育1个月多的时间,由于垦区处于寒地,气候比较寒冷,温度变化较大,因此应实时对棚内温湿度以及土壤水分进行监测。现在垦区多数都是稻农承包土地,自己有几个育秧大棚,离住地较远,不方便每天实时监测棚内环境,而且他们的监测设备简单,精度不够。为了方便准确地指导稻农,开发了基于GSM网络的寒地水稻育秧大棚智能监测系统。该系统可实时监控秧田温湿度和土壤水分变化,科学指导稻农适时按照水稻秧苗叶龄进程实施调温、控水,保证了秧苗在适宜的温度、湿度条件下健壮生长,为提升农场的水稻育秧管理水平、科学培育壮秧、提高水稻品质和产量提供了更为可靠的保证。

1 系统硬件设计

基于GSM网络的寒地水稻育秧大棚智能监测系统主要包括两大部分:数据采集部分和系统控制部分。数据采集部分包括对多点温度、多点湿度、土壤水分的采集和处理;系统控制部分由LCD显示、GSM模块、时钟、键盘、SD卡数据存储等组成。系统总体设计如图1所示。

1.1系统工作原理

由于育秧大棚周围没有供电设备,系统只能采用蓄电池的方式供电,要求系统中各种器件低功耗、高性能(尤其是主控部件),因此选择了MSP430为主控部件。其对温度传感器、湿度传感器、土壤水分传感器等进行数据的采集、处理,利用SD卡存储数据,并在LCD液晶上实时显示;利用DS1302时钟芯片作为基准时间,当到达设定时间或者采集的数据超出了设定的阈值,系统通过GSM网络自动发送当前的棚内温度、湿度、土壤水分值到指定的手机上,并告知超限值,实现远程对育秧大棚的环境监测。控制系统的时间、时间间隔、手机号码、阈值范围等,既可通过系统的键盘输入,也可以通过短信的方式进行修改,修改之前需要进行身份验证,以防止其他人随意修改设置,保证系统的安全可靠。

1.2 控制器

系统控制器主要完成数据的采集、处理、设置、发送和接收短信等功能,是整个系统的核心。由于控制器是实时工作,这就要求其功耗必须很低,才能符合设计要求,并且速度要快,性能可靠。因此,控制器选择以低功耗著称的MSP430单片机,其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8～3.6V 电压,因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时,芯片的电流会在 200～400μA 左右,时钟关断模式的最低功耗只有 0.1μA ,其他性能包括速度、可靠性等方面也符合系统要求。

1.3 传感器电路

土壤水分传感器考虑到成品的价格都在千元左右,成本过高,而且水稻秧苗对土壤水的要求不是很高,只需在土壤干燥时浇透水就可以。所以,本文设计了一种电阻式的土壤水分传感器,只设定5挡湿度值,很干、干、适宜、湿、很湿,不但可以知道当前土壤的湿度状态而且成本很低,适宜稻农的承受力,电路原理如图2所示。

通过水分在土壤中不同,而引起电阻值的变化这一特点设计了该电路,电极插入到土壤中,电极两端电阻值和已知电阻分压,将电压值经过ADC0832送入到单片机内部,经过计算得到电阻值。在此之前,已使用精密土壤水分传感器进行测试,得到了土壤水分和电阻式传感器电阻值之间的关系,因此可得出当前土壤的状态,经试验证明,该设计满足用户需要。

湿度传感器选择DB150数字温湿度传感器,温度范围:-20～+80℃,湿度范围:0～100%RH。该传感器把传感元件和信号处理集成起来,输出全标定的数字信号。DB150具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。湿度传感器连接电路如图3所示。

温度传感器选择美国DALLAS公司推出的一款数字温度传感器DS18B20,电压范围:3.0～5.5V;测温范围-55～+125℃。DS18B20具有体积小、功耗低、精度高、可靠性好和单总线易于单片机接口等优点,适合多点测温系统。温度传感器连接电路如图4所示。

1.4 GSM模块

本系统使用的无线发送接收模块是TC35i模块[2],该短信模块是一款双频900/1 800MHz高度集成的GSM短信模块,具有传输速度快、使用费用低、维护简单和性价比高等优点。在系统中,它通过串口与单片机相连,由单片机控制在一定时间向指定手机发送数据,而且当温度达到上限或下限时,单片机也会控制该模块发送信息给指定手机;它还可以接收指令,接收到指令后,它会立即把接收到的内容通过串口发送给单片机,单片机就会做相应的处理。

1.5 存储电路

为便于对大棚内植物的生长起到指导作用,需要每天固定时间采集实时的多点温度、多点湿度、多点土壤水分数据并存储起来。由于整个育秧期1个月左右,所以系统需要采集的数据较多,一般的存储设备不能满足要求。由于SD卡具备体积小、功耗低、可擦写、存储容量大以及非易失性等特点而被广泛应用于消费类电子产品中。因此,系统中选择了SD卡作为存储设备,存储容量为2G,满足了系统需要。SD卡存储电路如图5所示。

1.6 显示和键盘

系统选择12864LCD作为显示部件,它具有功耗低、集成度高、性能稳定、显示效果优秀、可视区域大、接口简单和控制方便等优点,操作时既可以使用串口方式也可使用并口方式,系统设计中使用了串口方式,节约了单片机IO资源。

键盘用来对系统进行设置以及复位,设置时间、手机号码、阈值等;当系统掉电或出现故障时,可通过复位键回到初状态。

1.7 时钟电路

时钟使用了美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、高性价比、带RAM的实时时钟芯片DS1302,采用三线接口与MCU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据,同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。系统时间可通过键盘设置,也可以通过手机短信进行设置,方便快捷。系统设计中加入一个备用电源,当意外断电时,时钟仍在运行,系统上电后时钟不需要修改。DS1302时钟连接电路如图6所示。

2 系统软件设计

2.1 SMS消息的发送与接收

TC35i的数据接口通过AT指令(如表1所示)[7]可双向传输指令和数据,控制SMS消息的接受与发送,它支持TEXT和PDU这2种消息模式:TEXT模式是基于ASCII码形式字符的一种结构模式,代码较为简单,但不支持中文字符代码;PDU模式也是基于十六进制形式字符的,数据和代码都经过编码,所以无法直接读懂,但它支持中英文两种短信。所以,本系统软件设计采用的PDU模式,发送和接收短信需要通过编码和解码发送和提取短信内容。单片机通过串口与TC35I进行数据通信,通信速率为9 600kbps,采用8位一步通讯发式,1位起始位,8位数据位,1位停止位。

2.2 系统总体软件设计

软件流程图如图7所示。软件设计中,上电初始化,完成对CPU、标志单元、时钟日历等的初始化;MCU控制传感器采集数据,在LCD上显示,并存储在SD卡中,根据不同秧苗不同生长时期判断温湿度以及土壤水分。如果超出设定范围,就通过GSM模块发送短信到指定手机报警,否则检测是否到达定时发送时间。如果到达,发送当天传感器采集到的上限值、下限值和平均值,让稻农了解一天内棚内环境的变化;如果没有到达则检测GSM模块是否收到手机发送的指令,如果接收到指令,则单片机就会根据指令完成工作,如设定密码、传感器数值范围和设定时间等。

3 结论

2010年3月,在八五零农场水稻秧棚中进行整个育秧过程的试验,证明该系统设计合理、性能可靠、功耗低、数据精确、预警及时、操作方便、自动化程度高,可真正实现足不出户就可以随时监控大棚内植物生长状况。该系统也可用于其他温室大棚和各种监控场合,为温室大棚生产自动化和信息化管理开辟了一条新的途径。

参考文献

[1]肖广兵,唐慧强.基于TC35i的无线数据采集系统的设计[J].通信技术,2009,42(4):189-191.

[2]王荣辉,沈佐锐.基于短信息的温室生态健康呼叫系统[J].农业工程学报,2004,20(3):226-228.

[3]周振安.数据采集系统的设计与实践[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4]路康.温室大棚动态参数测试系统设计[J].河南农业大学学报,2008,42(3):330-333.

[5]何希才,薛永毅.传感器及其应用实例[M].北京:机械工业出版社,2004.

农业大棚无线视频监控系统的设计 篇9

随着农业技术发展步伐的加快, 农业逐步实现了信息化和自动化, 对农业设施的信息化要求也越来越高, 在大棚等农业环境中安装视频监控系统显得尤为重要, 在防盗监测、消防监测及环境监测等方面起到了重大作用, 可及时查看大棚内的实时画面。但是, 传统的大棚环境监测需专人值守, 且安装的视频监控系统采用有线通信方式居多, 在布线及节省线路资源方面灵活性较差, 且在视频信号显示时自主添加文字、图像字符的难度较大。本设计的无线视频通信系统尤其适用于农业大棚视频信号的无线传输, 通过老式电视就可实现画面的显示, 成本较低, 且节省线路资源, 使用灵活。

2 系统设计方案

本系统主要由视频输入模块、无线发射模块、无线接收模块、视频显示模块、字符叠加模块和单片机控制模块组成。

2.1 信号传输方式方案设计

通信系统中, 调制与解调是实现信号传递的重要手段。利用调制技术, 适当安排多个载波频率, 可使各个调制信号的频谱互不重叠, 用不同的带通滤波器将其区分开, 从而实现在一个信道上互不干扰地传送多个信号。

2.2 发射模块方案设计

AV射频转换器可将影碟机、卫星接收机、VCD、DVD及游戏机等设备输出的音/视频信号转换成射频信号, 可实现图像清晰、立体声、低噪声及低功耗, 适用于无AV输入插孔的老式电视机收看VCD, 同时可根据客户要求设计不同的工作电压、F头、PLA制式、NT SC制式和不同的伴音频率。

2.3 接收模块方案设计

接收模块选用视频处理芯片和高频头, 视频处理芯片决定影像的分辨率, 高频头决定影像的稳定性。高频头的作用是将微弱的视频信号进行放大, 并且对传输不稳定引起的图像变形与干扰进行处理。数字高频头可接收数字高频信号, 并进行频道选择和高频信号放大及变频处理, 高频数字信号经解调后, 输出的数字信号为T S流。

2.4 字符叠加模块方案设计

专用字符叠加芯片UPD6453, 其特点是显示编辑功能强, 可以在屏幕上显示12行24列的字符, 每个字符为12×18点阵, 字符的大小、闪烁频率可以根据需要进行调整, 同时为了达到显示的多样性, 屏幕的背景色、字符的边缘色以及字符本身的颜色也可以进行修改。在监视器上显示诸如日期, 频道之类的信息, 由单片机进行控制。每一个字符由12×18点阵组成, 包含10个阿拉伯数字, 26个英文字母, 片假名、平假名, 少量汉字等符号共240种字符。

3 理论分析

3.1 发射机的主要技术要求

要有一定的工作波段、足够的频率准确度和稳定度;有足够的功率输出;调制性能 (调制灵敏度、调制频率特性、调制线性) 优。

3.2 接收机的主要技术要求

工作于规定的波段和采用适当的解调方式;具有高的接收灵敏度;具有好的选择性;应有好的保真度;应有高的工作稳定度。

3.3 杂波辐射的抑制

发射机中产生的谐波分量如果通过天线发射出去, 将对其他电台产生有害的干扰, 因此必须将谐波调制到一定程度, 从而减少干扰。

4 系统硬件及软件设计

4.1 系统硬件设计

CCMOS摄像头采集到的原始图像是NT SC或PAL制式的复合视频模拟信号CCBS, 通过AV电缆输入节点, 进行AV射频转换, 通过发射天线发射到接收机, 接收机进行解调, 并通过芯片UPD6453实现字符叠加, 最后在电视机等视频接收端等设备上显示, 系统总体框图如图1所示。

(1) 无线发射模块。射频发射电路通过电容三点式产生56 MHz的频率, 而图像信号经过摄像头采集, 通过摄像头的内部电路转换为模拟电压信号, 送入二极管混频电路, 混频电路负责把摄像头输出的模拟电压信号和本振信号混出射频信号。射频信号经过UPC1651集成运算放大器和共发射极电路放大后发送。其中UPC1651是电视天线放大器专用集成电路, 是一块超高频、宽频带 (频率带宽为1 200 MHz) 、低噪声且功率增益大 (19 d B, 500 MHz) 的高频线性放大电路。

(2) 无线接收模块。接收模块选用T DQ3型全频道高频头, 频率范围是87~860 Hz。调谐电位器选用较精密的多圈线绕电位器, 有利于调谐精度。波段转换开关K选用有3个输出端的旋钮开关。设计中选用LM7577N中放板, LM7577N采用声表面滤波器与锁相环同步检波器来分离图像中频信号与伴音中频信号。锁相环同步检波器还结合一个蜂音消除器抑制蜂音干扰。设计中选用的RF调制器的供电电压为5 V, 输出频率是200.8 MHz。

(3) 控制及字符叠加模块。该模块主要实现利用AT 89C52单片机调用字符芯片中的字符编码, 把编码加到传输的信号上。芯片UPD6453内部的字模库采用了12×12点阵的字库数据, 但这样显示的字符比较小, 经过试验发现当电感取15μH、电容取56 p F时, 12×12点阵的汉字字符以双倍显示较合适。

4.2 系统软件设计

利用单片机实现字符的叠加, 首先, 读取所要显示字符的区位, 判断该字符是否写入字符RRA中, 确定写入的字符为第几个字符及点阵信息的第几位, 然后从字符库中读取点阵信息并将点阵信息写入字符信息中, 设置字符在显示块中的行列地址, 后将显示的字符写入视频RAM中并设置视频显示块的起始位, 完成字符信息的叠加。字符叠加程序流程见图2。

5 系统测试结果

实现了从节点B至节点A视频信号和字符的无线传输, 也可通过不同的频率进行不同节点的设置与传输, 且传输功耗小于150 m W。

视频接收设备的视频内容清晰无闪烁, 色彩正常, 与摄像机直接用AV电缆连接到电视机的图像质量无明显差异, 实现效果较好。

6 设计结论

本设计利用AV射频转换器实现了视频信号的传输, 使用UPD6453字符芯片及单片机控制在视频信号通道加入字符, 所接收视频内容清晰、字符无误, 很好地实现了短距内视频信号的无线通信, 可放置于农业大棚内, 对大棚内的实时画面进行无线传输, 起到监测的作用。相比目前的视频传输系统, 该系统线路资源简单、经济实用, 尤其适用于农业环境下的监测系统, 采集当前画面并可结合监测报警系统, 可有效地实现无人值守, 提高农业的信息化水平。

参考文献

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