華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 梁文坤 繆文南
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多終端智能控制菜園種植系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 梁文坤 繆文南
【摘要】如今追求環(huán)保、綠色、鄉(xiāng)園田野已經(jīng)成當(dāng)今的一種生活時尚,生活水平和質(zhì)量的不斷提高,以及對食品安全關(guān)注度的日益提高,人們開始在自家陽臺種果種菜,不僅經(jīng)濟實惠而且綠色環(huán)保,這是一種值得提倡的節(jié)能生活方式,本系統(tǒng)網(wǎng)針對家庭生活中的陽臺種植,能非常方便地輔助用戶種植自己的蔬菜,極大節(jié)省自己的時間和精力。
【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)采集;無線傳輸;智能控制;數(shù)據(jù)分析;遠(yuǎn)程控制
隨著人們生活水平的提升,對食品安全問題的進(jìn)一步關(guān)心,對綠色食品的要求越來越高,人們更渴望吃到真正價格低廉、天然無污染的放心菜,那么自種自吃將會是你的不二選擇,在自家的陽臺改造成屬于自己的菜園,成功收獲自己種的蔬菜,并且吃上自己做的菜將會是一件非常有成就感的事情。
針對于城市中這一占大部分的群體,我隊研發(fā)了一套育菜自動化系統(tǒng)讓城市的區(qū)民能夠體驗陽臺種菜的便利性,實用性,讓陽臺培育疏不再是一件辛苦的事情,隨時隨地按下手指便能育菜。
本用戶體驗由五方面組成:1)下位機數(shù)據(jù)采集,無線發(fā)送數(shù)據(jù);2)短程無線控制和接收信息;3)實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控;4)PC機上圖形分析;5)通過短信進(jìn)行實時反饋。
如圖1所示,本系統(tǒng)設(shè)計分為以下具體五方面:1)菜園控制端,采集菜園環(huán)境各類參數(shù)(溫度、光照強度、土壤濕度),實時無線發(fā)送采集數(shù)據(jù),并接收其他調(diào)整環(huán)境因素的控制信號;2)育菜移動終端,在菜園附近實時無線接收菜園環(huán)境各類參數(shù),可智能提示、手動或智能反控制菜園環(huán)境(即控制光照強度、溫度、土壤濕度等因素,下文均以控制菜園環(huán)境表示);3)E家的移動綠巨人管理軟件,通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)端接收到的數(shù)據(jù),再串口傳遞數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)分類,生成報表,圖形曲線分析,數(shù)據(jù)庫存儲,和手動或智能反控制菜園環(huán)境;4)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制,通過攝像頭實時監(jiān)視,網(wǎng)頁控制開關(guān),控制菜園環(huán)境;5)GSM手機網(wǎng)控制,手機發(fā)送信息可獲取當(dāng)前菜園環(huán)境參數(shù),同時也可以進(jìn)行短信控制菜園環(huán)境。即可到到智能控制、管理菜園。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2 程序流程框圖
多終端智能控制菜園種植系統(tǒng)由菜園控制模塊、育菜無線控制與接收模塊、PC機管理模塊、網(wǎng)絡(luò)攝像監(jiān)控模塊和手機控制模塊構(gòu)成。這是本系統(tǒng)的總體構(gòu)成,以上模塊是依據(jù)要實現(xiàn)的功能而設(shè)計制作的,依據(jù)實事求是的精神,逐步實現(xiàn)各個模塊的功能。這樣有助于各個模塊的銜接以及縮短調(diào)試時間。
3.1硬件實現(xiàn)
3.1.1下位機模塊
下位機模塊是以STC89C52單片機為核心,主要是為了無線的收發(fā),繼電器模塊的控制,溫度、濕度、光照強度的讀取等組成。主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)發(fā)送的作用。
3.1.2無線網(wǎng)絡(luò)模塊
采用nRF24L01,該模塊是由NORDIC[1]出品的工作2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、增強“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置??梢赃B接到單片機進(jìn)行處理,完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。
3.1.3 傳感器模塊
溫度采集采用的是DS18B20,該傳感器具有獨特的單線接口方式,DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 測溫范圍-55℃~+125℃,固有測溫分辨率0.5℃,滿足現(xiàn)實需要。
土壤相對濕度傳感器是由LM358進(jìn)行放大信號處理而得到土壤相對濕度。
光照強度的測量采用光敏電阻,該電阻價格便宜,實用性強,該電阻是隨光照強度的變化而變化的,通過將采集的電壓信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,從而實現(xiàn)對光照強度的測量。
3.2軟件實現(xiàn)
系統(tǒng)的軟件開發(fā)主要由三部分構(gòu)成,一是基于單片機STC89C52的硬件控制和信息接收的C語言開發(fā),二是基于PC機的圖形軟件LABVIEW的開發(fā),三是基于STM32單片機的uCOS系統(tǒng)開發(fā)。
如圖2所示,系統(tǒng)先初始化,在進(jìn)入系統(tǒng)后,下位機采集的數(shù)據(jù)與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳送,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的向PC終端、手機終端和手持移動終端進(jìn)行顯示與查詢。
在恒定的室溫環(huán)境中,放溫濕度計、照度計等設(shè)備進(jìn)入該小菜園中。啟動該系統(tǒng),檢查電路的通斷情況,并測試所有檢測模塊的運行情況。讓該系統(tǒng)運行一段時間后,開始采集接收溫度、濕度、光照強度的數(shù)值,持續(xù)一段時間,得出數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析,對比標(biāo)準(zhǔn)采集器所得到的數(shù)據(jù),計算其誤差。另一方面,通過上位機和移動中斷進(jìn)行繼電器模塊的控制,觀察其對應(yīng)電路是否啟動。結(jié)果如表1所示。
表1 繼電器控制情況表
這套系統(tǒng)產(chǎn)品主要應(yīng)用于家庭的陽臺菜園、果園,代表一種綠色、低碳、健康、環(huán)保的全新生活理念和做到一種“網(wǎng)上種菜回家吃菜“休閑健康的全新生活娛樂方式,陶冶都市生活情趣。
該系統(tǒng)網(wǎng)可以從較大范圍隨時隨地對菜園進(jìn)行可監(jiān)可控,讓“全民一起來種菜”成為了可能,體現(xiàn)出智慧城市,智慧生活,綠色生活的理念。
近年來隨著陽臺菜園這個朝陽行業(yè)的發(fā)展,勢必會有越來越大的市場空間,也蘊含著相當(dāng)大發(fā)展?jié)摿蜕虣C。但是目前網(wǎng)上雖有較多種菜交流學(xué)習(xí)論壇,但是把它做成產(chǎn)業(yè)的企業(yè)卻非常少。在此基礎(chǔ)上運用自動化技術(shù)提供種植的企業(yè)就更少了,而且市場上還未有局域網(wǎng),手機網(wǎng)的技術(shù)融合,并且本身以這個作為發(fā)展方向,做成多用戶體驗便是一種特色,它代表著一種全新的生活理念,代表著便利,簡單,綠色、低碳、健康。
該套系統(tǒng)由于應(yīng)用范圍廣,可以投入大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用,如大棚蔬菜,農(nóng)業(yè)種植,花園市場等多種行業(yè)。
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