胡志潔　沈瑞冰　張秀芳

摘 要：當(dāng)前較多的農(nóng)業(yè)大棚仍采用傳統(tǒng)的人工操作和控制方法，出現(xiàn)較多弊端。管理粗放、技術(shù)設(shè)施落實(shí)不到位、智能化水平低導(dǎo)致單位生產(chǎn)效率低、投入產(chǎn)出比不高、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平起伏較大。本設(shè)計(jì)提出了基于LPC4357的農(nóng)業(yè)大棚管理系統(tǒng)，使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度和光照值，通過(guò)ZigBee將數(shù)據(jù)傳送給主控，并將最終數(shù)據(jù)顯示在LCD屏上。當(dāng)大棚環(huán)境中的溫度高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟大棚通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)行通風(fēng)換氣降溫；當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)大棚內(nèi)的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)則自動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。

關(guān)鍵詞：LPC4357；ZigBee；農(nóng)業(yè)大棚；傳感器

中圖分類號(hào)：TP212；S626.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）09-0-02

0 引 言

根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，農(nóng)業(yè)較工業(yè)而言占據(jù)較大比重。但我國(guó)農(nóng)業(yè)工業(yè)化水平較低，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚較多。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚存在以下弊端：

（1）傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚基本都采用人工管理，管理程序多且復(fù)雜，同時(shí)人工管理投入大，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，易造成大棚溫度過(guò)高、過(guò)低、過(guò)潮、過(guò)干等；

（2）由人工管理的農(nóng)業(yè)大棚無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚的狀態(tài)，對(duì)大棚進(jìn)行實(shí)時(shí)管理；

（3）傳統(tǒng)大棚燃料消耗較大，導(dǎo)致成本較高，降低了收益。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)效率低、成本高、產(chǎn)量低等特點(diǎn)已無(wú)法滿足工業(yè)信息化時(shí)代的要求。隨著我國(guó)人口逐漸增多，人民生活條件也逐漸改善，傳統(tǒng)大棚已不能滿足現(xiàn)代人的需求，開(kāi)發(fā)智能管理大棚勢(shì)在必行！

1 系統(tǒng)方案介紹

系統(tǒng)基于LPC4357，使用溫度、濕度、光敏傳感器檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度和光照值，通過(guò)ZigBee將數(shù)據(jù)傳送給主控，并將最終數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來(lái)。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、主控模塊和自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的溫濕度和光照信息通過(guò)ZigBee協(xié)議棧傳送給與LPC4357連接的ZigBee節(jié)點(diǎn)；ZigBee節(jié)點(diǎn)再通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至LPC4357主控模塊；如果某一大棚的參數(shù)超過(guò)設(shè)定值，液晶屏?xí)霈F(xiàn)紅色告警，如果溫度過(guò)高則開(kāi)啟風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降溫，若土壤濕度過(guò)低，則啟動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置進(jìn)行灌溉。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊介紹

LPC4357擁有Cortex-M4處理器與32位的ARM，最高運(yùn)行頻率為168 MHz，內(nèi)部集成1 MB 閃存，192+4 KB的SRAM，可外擴(kuò)Micro SD卡存儲(chǔ)，6路串口，工作溫度范圍為0 ℃ ～ 40 ℃，工作電壓為5 V。

由PF9控制風(fēng)扇繼電器，驅(qū)動(dòng)降溫控制；由PF10控制土壤灌溉繼電器，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置。

2.2 ZigBee無(wú)線通訊模塊介紹

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸。

ZigBee無(wú)線傳輸模塊以CC2530芯片為核心進(jìn)行相互間的通訊。本設(shè)計(jì)有5個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，其中1個(gè)為接收，其余4個(gè)為發(fā)送。4個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送大棚溫度、濕度、光照和土壤濕度值。

2.3 各傳感器介紹

本設(shè)計(jì)用到的傳感器包括溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11、光敏電阻以及土壤濕度傳感器。這些傳感器負(fù)責(zé)采集信息，并將采集到的信息分別通過(guò)4個(gè)ZigBee發(fā)送模塊發(fā)送給接收模塊。

2.4 串口電路

發(fā)送端通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線協(xié)議棧中，通過(guò)無(wú)線發(fā)送給接收端，接收端接收到信息后通過(guò)串口發(fā)送給LPC4357主控制板，主控制板接收、處理串口信息進(jìn)行界面顯示，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，LPC4357通過(guò)一個(gè)IO口發(fā)送控制信號(hào)，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置或降溫裝置。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件環(huán)境介紹

本設(shè)計(jì)運(yùn)用Keil公司研發(fā)的RealView MDK軟件，該編程軟件被全球超過(guò)十萬(wàn)嵌入式工程師或?qū)W者使用，是ARM公司最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開(kāi)發(fā)工具。它集成了業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，融合了中國(guó)多數(shù)軟件工程師所需要的特點(diǎn)和功能。μVision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex-M3內(nèi)核處理器，自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，具有強(qiáng)大的性能分析功能。

3.2 子節(jié)點(diǎn)ZigBee采集傳感器

ZigBee接收流程如圖2所示。先檢測(cè)傳感器是否存在或完好，若存在或完好，讀取傳感器信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)寫(xiě)入無(wú)線協(xié)議中并發(fā)送。

3.3 ZigBee接收流程

ZigBee接收流程如圖3所示。接收端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀頭匹配，完成之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，從而控制自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊。

4 系統(tǒng)測(cè)試

與一般溫室大棚相似，應(yīng)設(shè)定參數(shù)滿足其光照、滴灌、大棚內(nèi)二氧化碳濃度、濕潤(rùn)度以及土壤酸堿度等。測(cè)試周期控制為一周，采樣時(shí)間間隔設(shè)定為1小時(shí)，本系統(tǒng)采用模擬測(cè)試，搭建按比例縮小的農(nóng)作物溫室大棚，對(duì)環(huán)境參數(shù)采集24組數(shù)據(jù)，對(duì)溫度、濕度、光照、土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通過(guò)自動(dòng)灌溉裝置與降溫裝置將數(shù)據(jù)控制在設(shè)定范圍。一周監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示，光照平均值如圖5所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)一周的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)及控制，解決了農(nóng)業(yè)大棚看護(hù)不科學(xué)、不及時(shí)，從而造成農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降，甚至無(wú)法收獲農(nóng)作物的問(wèn)題。

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