李美麗　付興燁　盧振生（綏化學院電氣工程學院　黑龍江綏化　152061）

?

農業(yè)大棚自動控制系統(tǒng)

李美麗付興燁盧振生
（綏化學院電氣工程學院黑龍江綏化152061）

摘要：文章以Cortex- M3為核心，實現了農業(yè)大棚的自動化控制。對大棚環(huán)境中的各種信息（如溫度、濕度、光照等）進行采集，設計了一套能實時控制溫室內溫度、濕度、光照強度以及土壤濕度等多參數的測控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的自動調節(jié)作用，使溫室中環(huán)境參數處于事先確定的最佳值，為農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。綜合運用了TFT液晶顯示、AM2301溫濕度傳感器等功能模塊，實現了農業(yè)大棚的自動控制。

關鍵詞：Cortex- M3；溫度；濕度；光照；自動控制

一、系統(tǒng)方案

本設計利用了Cortex-M3開發(fā)出的一個高端農業(yè)大棚內部環(huán)境的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如圖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)境數據的采集和自動處理，該系統(tǒng)具有以下功能和特點：

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

（二）當大棚的設備或內部環(huán)境變量放生異常時系統(tǒng)本身可進行自動控制，同時顯示在液晶屏上以通知用戶。

二、功能與原理

（一）實現功能。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行實時測控大棚內的溫度、濕度和光照強度，如果大棚內的環(huán)境發(fā)生異常，蜂鳴器自動報警，處理器自動控制風扇、水泵，保溫布簾、補光燈等設施調節(jié)大棚內的環(huán)境以達到植物生長的正常狀態(tài)。

如果溫度和濕度超出設定標準，系統(tǒng)自動控制風扇工作來降低溫度和濕度達到標準值。溫度低于標準值時，系統(tǒng)自動模擬升溫。濕度較低時，控制系統(tǒng)通過控制水泵從蓄水池中取水給大棚內的農作物噴淋，防止農作物干旱。

圖1系統(tǒng)結構

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

（二）實現原理。

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動板。

在本套系統(tǒng)中我們使用了基于Cortex-M3內核的芯片，其型號為為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、通用定時器、I2C、CCP等外設。配以6MHz主時鐘以適應不同的應用需求。為方便CPU仿真及下載程序而提供的側插JTAG接口。硬件復位按鍵RESR可以隨時按動實現硬件復位?？偩€接口部分P1、P2、P4實現與擴展板的連接。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，水泵和風扇等控制部分用繼電器進行控制。用L293N來驅動自動升降保溫布簾的電動機，并用光電耦合器進行主板與電動機的隔離，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)實現原理。

（1）溫濕度控制。大棚內部的溫度和濕度通過AM2301溫濕傳感器采集，處理器實時檢測大棚內的溫度和濕度，并與標準值進行比較。當溫度或濕度高于標準值時，系統(tǒng)自動控制大棚兩側的風扇工作進行通風處理，以達到降溫和排除水分的作用。當溫度低于標準值時，系統(tǒng)自動控制大棚內的模擬升溫裝置加熱，防止溫度低影響大棚內農作物正常生長。當檢測到大棚內濕度值低于標準值時，啟動噴淋系統(tǒng)進行滴灌，處理器自動控制水泵從蓄水池中取水自動滴灌。防止農作物干旱。噴淋系統(tǒng)是由水泵、蓄水池和滴灌裝置構成的。

（2）光照強度控制。為了保證大棚內的農作物的正常生長，需要保證大棚內的光照強度。本設計中的光照強度通過光敏傳感器采集，處理器實時檢測外界的光照強度。當外界光照不足或夜晚時，大棚內設的補光系統(tǒng)會自動開啟。同時保溫布簾會自動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控制，通過控制電動機和伸縮軸同時檢測光電門的狀態(tài)實現。

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

圖2主電路圖

（4）傳感器。在本設計中主要應用的傳感器有：AM2301傳感器、光敏傳感器、位置檢測傳感器。

本設計中采用了AM2301溫濕傳感器，用于實時采集大棚內部的溫度和濕度。AM2301數字溫濕度傳感器是一款單總線數字信號輸出的溫濕度傳感器。該傳感器包括一個電容式濕度檢測元件和一個熱敏電阻測溫元件，并且自身集成了一個8位的單片機，用來同用戶設備進行通信。每個AM2301傳感器在出廠前都經過校準。校準系數以程序的形式儲存在傳感器內存中，傳感器內部在將環(huán)境變量轉換為數字信號的過程中要調用這些校準系數。采用了光敏傳感器，用于檢測大棚外部的光照強度，反饋給處理器來實現對大棚內部光照強度的控制。采用位置檢測傳感器與大棚外側的伸縮軸和電動機配合實現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，一端有個線性光源，另一端有個光敏電阻，門中無物體阻擋時光照射到光敏電阻上。有光照時光敏電阻阻值減小，光敏電阻兩端為低電壓。當門中有物體阻擋時，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。其內置可見光過濾器，能減小離散光的影響。體積小，結構緊湊。此光電門傳感器調理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。

三、總結

在本套系統(tǒng)中運用了多方面的技術，傳感器的應用，使大棚系統(tǒng)更加智能化，在測量溫度和濕度上，運用了溫濕度結合傳感器，做到了溫濕度結合測量，處理方便，更加實用，執(zhí)行部分的設計和實現使這大棚控制系統(tǒng)更加的自動化，給用戶提供了現代農業(yè)大棚的方便。

參考文獻：

[1]肖洪兵.跟我學用單片機[M].北京:航空航天大學出版社，2002：20-25.

[2]孫斌.液晶顯示模塊在單片機系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息，2009(3)：30-32.

[3]何立民.單片機高級教程[M].北京：航空航天大學出版社，2001：34-38.

[4]曹彩萍.基于單片機的鍵盤接口的設計與實現[J].電腦知識與技術，2006(1)：7-9.

[責任編輯鄭麗娟]

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：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：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，綏化學院電氣工程學院講師，研究方向：材料物理及電氣自動化。

基金項目：綏化學院新農村建設研究項目（SXK120202）；綏化學院教育教學改革項目（JS20140051）；黑龍江省高等學校教改工程項目（JG2014011118）。