陳琦

（哈爾濱光宇電氣自動化有限公司，黑龍江 哈爾濱150078）

1 概述

隨著電子技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，如今智能設(shè)備在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。本文所設(shè)計的智能棚室控制系統(tǒng)，能實時監(jiān)測棚室內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)農(nóng)作物對環(huán)境的要求，可實時調(diào)節(jié)環(huán)境數(shù)據(jù)，滿足農(nóng)作物對生長環(huán)境的要求。如通風(fēng)、噴淋、棚膜開關(guān)調(diào)節(jié)等。本棚室控制器還可針對不同農(nóng)作物對不同環(huán)境條件的需求，設(shè)置多種適合不同作物的環(huán)境參數(shù)，這可以有效的提高作物產(chǎn)量，節(jié)約人力成本。棚室控制器可通過外部傳感器采集到精確的環(huán)境數(shù)據(jù)，相對較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的粗獷的種植和管理模式，提高了管理精細度，在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和日常維護費用上將產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 系統(tǒng)原理分析

智能棚室控制器構(gòu)成，包括高性能32 位ARM處理器的數(shù)據(jù)處理模塊、高可靠性GPRS 模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、EEPROM存儲模塊及控制出口模塊。棚室控制器可實現(xiàn)遠距離短信通訊、GPRS 通訊、RS485 通訊；通過485 接口可外接傳感器可實時監(jiān)測環(huán)境溫濕度，光照、土壤濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，根據(jù)事先設(shè)置在EEPROM中的各環(huán)境數(shù)據(jù)定值，進行噴淋、通風(fēng)、棚膜開關(guān)調(diào)節(jié)，以保證農(nóng)作物在一個最佳的環(huán)境下生長。智能棚室控制具有數(shù)據(jù)異常告警功能?？珊椭行恼颈O(jiān)控軟件配合組成綜合自動化實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)，也可以根據(jù)實際需求搭配不同的外部控制設(shè)備，從而應(yīng)用到家禽養(yǎng)殖等不同領(lǐng)域。

3 電路設(shè)計方案

智能棚室控制器硬件由五部分組成：

（1）數(shù)據(jù)處理模塊；

（2）傳感器數(shù)據(jù)通訊模塊；

（3）GPRS 無線傳輸接口模塊；

（4）EEPROM存儲模塊；

（5）控制開出模塊。

圖1 智能棚室控制器應(yīng)用框圖

圖2 智能棚室控制器系統(tǒng)硬件框圖

數(shù)據(jù)處理模塊使用GD32 系列芯片，它是兆易公司生產(chǎn)的高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32 位控制器，高達72MHz 主頻，內(nèi)置達128K 閃存,零等待周期的存儲器。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“gFLASH”技術(shù)，使片上Flash 可重復(fù)擦寫100000 次。它還有豐富的外設(shè)接口，能夠高效的處理數(shù)據(jù)，保證程序處理速度和性能上的冗余。采用低功耗設(shè)計，降低能耗的同時可以提高模塊的使用壽命。本文選用了GD32F103RBT6 芯片。

GPRS 無線傳輸部分使用SIM800C 模塊，它是SIMCom 公司推出新款緊湊型產(chǎn)品，它是支持四頻段GSM/GPRS 模塊，采用42 引腳SMT 封裝形式，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價比高。SIM800C 采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM800C 采用省電技術(shù)設(shè)計，在休眠模式下功耗低至0.6mA，它的尺寸大小為17.6x15.7x2.3mm，能滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品對空間尺寸的設(shè)計需求，標(biāo)準(zhǔn)串口通過AT 命令控制，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計。

EEPROM 存儲模塊通過IIC 總線接口EEPROM 芯片AT24C64 連接至DG32，保證停電后數(shù)據(jù)不會丟失；使用MAX485 芯片連接至GD32 串口2 實現(xiàn)RS485 通訊，實現(xiàn)與外部各種環(huán)境傳感器連接；DG32 主控芯片通過串口3 與SIM800C模塊連接通訊，實現(xiàn)配置GPRS 模塊和收發(fā)數(shù)據(jù)至云端；使用歐姆龍G2R-1 型號繼電器作為控制開出，控制卷膜機、風(fēng)機、水泵、加熱器等設(shè)備按要求啟停。

布局布線方面由于SIM800C 模塊以最大功率發(fā)射時，電流峰值瞬間最高可達到2A，從而導(dǎo)致在模塊電源上有較大的電壓跌落。所以電源端可使用一個100μF 大電容穩(wěn)壓；天線部分，天線輸出引腳與天線連接器走線越短越好，天線引線采用射頻同軸屏蔽電纜接至機殼外部；SIM卡處由于面積較大，比較容易受到干擾，需要靠近模塊擺放并遠離天線部分。對強干擾信號造成的運行出錯采用硬件看門狗電路處理，保證在無人值守時也能可靠運行；對RS485 傳輸線使用屏蔽雙絞線，并且單端接屏蔽地。電源及通訊端口加入TVS，實行防電脈沖沖擊和防雷保護措施，已在實際應(yīng)用中獲得了極好的效果。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計如下：系統(tǒng)上電后首先硬件初始化，對相關(guān)IO 引腳及EEPROM 的IIC 接口初始化，對兩個異步串口初始化，需要設(shè)置好通訊的波特率和數(shù)據(jù)位。接下來對SIM800C 模塊初始化，通過GD32 的串口3 發(fā)送AT 命令，設(shè)置模塊的通訊方式及環(huán)境監(jiān)測云平臺的IP 地址，再檢測連接網(wǎng)絡(luò)是否成功，如果連接入網(wǎng)，則通過串口2 轉(zhuǎn)成的RS485 接口采集各個環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)判斷，并把數(shù)據(jù)從串口3 發(fā)送到GPRS 模塊，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過TCP 協(xié)議方式把數(shù)據(jù)傳送到環(huán)境監(jiān)測云平臺上去。對采集數(shù)據(jù)的主要處理方式為和EEPROM設(shè)定數(shù)據(jù)比較，當(dāng)數(shù)據(jù)大于設(shè)定值時，如溫度過高，可使控制開出端的風(fēng)機開啟進行降溫。如溫度過低，可使控制開出端加熱器開啟升溫。同理，濕度大小可以調(diào)節(jié)控制開出端的電磁閥（噴淋系統(tǒng)），光照度大小可以調(diào)節(jié)控制開出端的卷膜機系統(tǒng)。

圖3 智能棚室控制器軟件流程圖

綜上所述智能棚室控制器可以根據(jù)當(dāng)前棚室環(huán)境數(shù)據(jù)值，判斷出當(dāng)前棚室環(huán)境是否在要求狀態(tài)異常數(shù)據(jù)會和EEPROM中的設(shè)定的上下限定值相比較，做出異常判斷如溫度過高、空氣濕度過低、光照度過低等情況。同樣監(jiān)控中心可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)和更改定值到檢測模塊以適應(yīng)不同種類的農(nóng)作物。

5 結(jié)論

經(jīng)實踐證明使用基于GD32 控制器和GPRS 智能農(nóng)業(yè)棚室控制器滿足廣泛的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用需求，采用GPRS 無線通信，可以使布線簡單?？刂破魍鈹U傳感器模塊對環(huán)境數(shù)據(jù)自動檢測，避免了人力現(xiàn)場檢測。控制器模塊可設(shè)置自定義名稱，當(dāng)發(fā)送故障時，可直接定位到具體的棚室。在監(jiān)控中心或監(jiān)控云平臺發(fā)生停電或者系統(tǒng)故障時，棚室控制器器模塊可獨立使用，可直接給管理員發(fā)送手機短信提示故障。當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)異常，棚室控制器開出端系統(tǒng)會根據(jù)需要自動工作，如通風(fēng)、噴淋、加熱等，直至將環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)整到合適狀態(tài)。使用本棚室控制器可大量減少人力物力的投入，廣泛適用于各種智能農(nóng)業(yè)場所。