淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校 張兆朋

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校 張兆朋

本文對(duì)智能大棚的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)控制，利用各種傳感器采集信息傳送到C8051F340從機(jī)，從機(jī)通過(guò)Can控制器和Can收發(fā)器，傳到總線，總線再通過(guò)Can控制器和Can收發(fā)器傳到到主機(jī)，將數(shù)據(jù)信息通過(guò)以太網(wǎng)輸送到上位機(jī)，采集的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)里的參數(shù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制下位機(jī)，根據(jù)溫度，濕度等配置控制配置營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行自動(dòng)灌溉。

C8051F340；can；物聯(lián)網(wǎng)；cp2200

物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，人口眾多，對(duì)糧食蔬菜等農(nóng)作物需求巨大，隨著農(nóng)村大量勞動(dòng)力流向城市，農(nóng)村勞動(dòng)力長(zhǎng)遠(yuǎn)看會(huì)出現(xiàn)短缺，而我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉中大多還是采用傳統(tǒng)的灌溉方式，不僅耗人力而且水資源也是浪費(fèi)，傳統(tǒng)的灌溉還有不及時(shí)，效率低，灌溉量不精確等問(wèn)題。本文提出了智能大棚灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究了通過(guò)傳感器檢測(cè)來(lái)判定是否灌溉，灌溉是否完成，充分考慮關(guān)照，溫濕度等對(duì)需求量的影響，并考慮到不同季節(jié)不同作物需水量的不同，通過(guò)水位監(jiān)測(cè)判定是否灌溉完成，通過(guò)vc界面選擇不同季節(jié)，不同作物，通過(guò)傳感器檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)與上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)比較，判定是否要進(jìn)行灌溉，灌溉量是多少，由上位機(jī)傳達(dá)命令到下位機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，進(jìn)行澆水灌溉，達(dá)到最佳的灌溉效果。

1.總體設(shè)計(jì)

1.1 總體框圖

如圖1所示，由C8051F340構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，傳感器采集的信息輸入到這些從機(jī)，從機(jī)通過(guò)can總線傳遞給主機(jī)C8051F340，主控機(jī)匯總消息，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)然后傳到上位機(jī)電腦，采集的數(shù)據(jù)信息與上位機(jī)中數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)比較，分析，優(yōu)化，最后上位機(jī)發(fā)出控制命令控制下位機(jī)工作。

1.2 下位機(jī)框圖

下位機(jī)(如圖2)由C8051F340單片機(jī)和采集裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中C8051F340單片機(jī)是核心，起控制作用；采集裝置由一些傳感器構(gòu)成。灌溉時(shí)要考慮光照，空氣溫濕度故檢測(cè)裝置有光照傳感器和溫濕度傳感器，灌溉是否完成需要水位監(jiān)測(cè)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)有通風(fēng)裝置，灌溉裝置和加溫裝置，在灌溉時(shí)需要通風(fēng)，而冬天東風(fēng)溫室大棚內(nèi)溫度會(huì)低，故要進(jìn)行加熱升溫，當(dāng)需要灌溉時(shí)，單片機(jī)從機(jī)接收指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)灌溉。

2.硬件設(shè)計(jì)

C8051F340是美國(guó)Silabs公司生產(chǎn)的與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的高速單片機(jī)，它具有速度高，功耗低，有豐富的外圍設(shè)備，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制所常用的模擬部件、其他數(shù)字外設(shè)和功能部件，是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)及芯片。

2.1 傳感器與單片機(jī)的連接

圖1 總體框圖

圖2 下位機(jī)框圖

圖3 單片機(jī)與SHT11連接圖

圖4 CAN通信

圖5 CP2200與C8051F340的鏈接

如圖3，溫濕度傳感器選用SHT11，這是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對(duì)濕度和溫度傳感器，可用來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度、溫度等，分辨率高。光傳感器選用TSC2561，它是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，可直接通過(guò)I2C總線協(xié)議，由MCU訪問(wèn)。

SHT11的供電電壓范圍為2.4-5.5V，建議供電電壓為3.3V。在電源引腳(VDD，GND)之間須加一個(gè)100nF的電容，用以去耦濾波。

2.2 Can總線

CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線，能有效的支持分布式實(shí)時(shí)控制，主機(jī)向從機(jī)1發(fā)布命令時(shí)，其他從機(jī)可接受命令，但不需要作出反應(yīng)，只有從機(jī)1接受命令并作出反應(yīng)，在CAN總線通信中，控制器采用PHILIPS公司的SJA1000和收發(fā)器選用82C250芯片。為了增強(qiáng)抗干擾能力，選用了高速光電耦合器6N137。單片機(jī)對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。采用雙絞線進(jìn)行連接。SJA1000的AD0-AD7連接到單片機(jī)的8個(gè)I/O接口，對(duì)應(yīng)的引腳相連，單片機(jī)可對(duì)SJA1000執(zhí)行讀寫(xiě)操作，可通過(guò)中斷方式訪問(wèn)SJA1000，如圖4。

2.3 以太網(wǎng)控制器與單片機(jī)連接

如圖5，CP2200是集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器(MAC)、10Base-T物理層(PHY)和8KB非易失性FLASH存儲(chǔ)器的單芯片以太網(wǎng)控制器；可以為具有11個(gè)以上端口I/O引腳的任何微控制器或主處理器增加以太網(wǎng)通信功能；8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋址；是目前體積最小的單芯片以太網(wǎng)控制器。

將地址總線端口A0～A7接F340的管腳P2.0～P2.7，數(shù)據(jù)總線端口D0～D7接P4.0～P4.7，F(xiàn)340通過(guò)這兩條總線對(duì)CP2200進(jìn)行尋址和數(shù)據(jù)收發(fā)。INT和CS和分別接F340的管腳P3.6和P3.7；單片機(jī)通過(guò)管腳P3.6控制CP2200，CP2200通過(guò)P3.7向單片機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)通風(fēng)，灌溉，加熱，執(zhí)行機(jī)構(gòu)均由繼電器間接控制。所用電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，方便控制器控制速度，電磁閥采用220V交流的，型號(hào)：2W-160-15，型式：常閉式(即：通電打開(kāi)，斷電關(guān)閉；）。

2.5 注意事項(xiàng)

(1)電磁閥遠(yuǎn)離控制器，需通過(guò)繼電器間接控制，另外要加入電阻電容緩沖，防止影響控制其正常工作。

(2)電源采用開(kāi)關(guān)電源，接通220交流電，輸出12V6A直流電，電流電壓都要注意，電流過(guò)小會(huì)造成開(kāi)關(guān)冒火花但電動(dòng)機(jī)不工作。

(3)C8051F340與繼電器之間加反相器，控制電動(dòng)機(jī)，防止啟動(dòng)時(shí)燒壞電源。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

界面采用vc編程，參數(shù)放置采用數(shù)據(jù)庫(kù)，不同季節(jié)灌溉量不同，不同季節(jié)具體灌溉量在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置好，比如夏季要增加灌溉量，冬季要減少灌溉量，在界面中可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕選擇季節(jié)。同樣不同的作物也是。光照不同，空氣溫濕度不同，灌溉量也不同，具體的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置在數(shù)據(jù)庫(kù)中，檢測(cè)到的信息與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較。

主機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸接受從機(jī)發(fā)來(lái)的信息，然后通過(guò)無(wú)線傳輸裝置發(fā)送到上位機(jī)PC，上位機(jī)專家系統(tǒng)中有不同作物（西紅柿、茄子、辣椒、西瓜等）的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（不同的作物在不同的季節(jié)所需要的光照，溫度，水分不同，白天晚上溫差大時(shí)所需要的光照也不同），標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)與采集的信息比較后發(fā)出命令，主機(jī)接收上位機(jī)的指令，傳給從機(jī)節(jié)點(diǎn)。

上位機(jī)控制下位機(jī)關(guān)鍵是協(xié)議，協(xié)議要一致，比如在上位機(jī)中設(shè)置ComPort.Settings="4800,n,8,1"那么下位機(jī)程序中要對(duì)應(yīng)，可以這樣寫(xiě)程序：

TH1=0xF3；//定時(shí)器初值高8位設(shè)置//12MHZ晶振，波特率為4800

3.2 CAN通信軟件設(shè)計(jì)

(1)SJA1000的初始化子程序：初始化包括工作方式的設(shè)置、接受濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置等。

(2)發(fā)送子程序：發(fā)送時(shí)將等待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合幀報(bào)文，送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)，啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可。

(3)接收子程序：處理接收?qǐng)?bào)文的過(guò)程中，同時(shí)要對(duì)諸如總線關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的專家系統(tǒng)，利用C8051F340單片機(jī)與can總線以及以太網(wǎng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用傳感器檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)比較做出判斷，溫濕度不同，光照不同時(shí)，電腦自動(dòng)設(shè)置不同的灌溉量，有利于精確灌溉，節(jié)約用水，有利于植物的生長(zhǎng)，節(jié)約了人力資源。

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張兆朋（1980—），男，淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校講師，研究方向：智能控制研究。