? ?

基于物聯(lián)網(wǎng)的集群式蔬菜培育管理系統(tǒng)

摘要

本系統(tǒng)是一款基于STC12C5A60S2開發(fā)平臺，以GSM無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)、Labview技術(shù)等為基礎(chǔ)，并結(jié)合了PID算法的智能大棚控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)由上位機信息處理和下位機信息采集兩大部分組成。其中下位機由GSM遠程控制模塊，大棚安防控制模塊，大棚實時狀態(tài)監(jiān)測模塊，可視化界面模塊等模塊組成。利用傳感器技術(shù)將大棚內(nèi)溫濕度，光照強度，CO2濃度信息進行實時數(shù)據(jù)采集并將這些數(shù)據(jù)通過24L01無線上傳。

上位機主要包括信息接收模塊和信息處理模塊，實現(xiàn)信息的存儲、查詢和校驗等功能。上位機還集成了蔬菜小助手等功能，蔬菜小助手可以查詢不同地區(qū)，不同蔬菜，不同生長階段對光照強度、溫度、濕度、CO2濃度的不同需求，指導(dǎo)用戶科學(xué)種植。

上位機通過對下位機傳感器采集的各種環(huán)境參數(shù)的分析，并結(jié)合蔬菜小助手里的專業(yè)農(nóng)業(yè)知識，做出指令，通過多種方式對灌溉系統(tǒng)，調(diào)溫系統(tǒng)，補光系統(tǒng)，調(diào)濕系統(tǒng)進行控制創(chuàng)造出作物生長發(fā)育的環(huán)境條件，實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，高效的生產(chǎn)目標(biāo)。

該系統(tǒng)在極大程度上降低了人工管理蔬菜系統(tǒng)的勞動強度避免了人工管理大棚專業(yè)程度不高，動作不及時等諸多弊端，保證了即使外界環(huán)境“電閃雷鳴”大棚內(nèi)也“風(fēng)調(diào)雨順”，本系統(tǒng)設(shè)計思路清晰，硬件結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本低廉，能耗低，效率高，符合中國氣候復(fù)雜，經(jīng)緯跨度大的市場前景。

關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2單片機、PID、實時監(jiān)測、遠程控制、GSM無線通訊、Labview.

第一章 ?緒論

隨著國家的改革開放，國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，中國的現(xiàn)代化水平越來越高。然而作為一個設(shè)施園藝面積居世界之首的國家，我國的溫室大棚建設(shè)卻不容樂觀，縱觀我國現(xiàn)在的溫室大棚建設(shè)，整體水平還處于人工控制階段，人工控制具有專業(yè)化不高、勞動強度大、監(jiān)控不及時、管理效率低等眾多問題。溫室大棚不僅關(guān)系到與老百姓生活息息相關(guān)的“菜籃子”工程，更關(guān)系到我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。傳統(tǒng)的、落后的、分散的、低效的溫室大棚生產(chǎn)經(jīng)營不僅浪費人力、物力和土地資源，而且無法與國際接軌，參與國際市場競爭。因此我們務(wù)必要提高智能化在溫室大棚中的滲透率，加緊建設(shè)智能化蔬菜大棚系統(tǒng)的步伐。

面對巨大的國際競爭我國也加緊了對智能化農(nóng)業(yè)的投入，并也取得了一些成果，但大都邏輯簡單，設(shè)備大型，先進性不夠，利用率低下。監(jiān)控系統(tǒng)多以單因子為指標(biāo)。例如范云翔等人研制的智能噴水控制器，雖然能根據(jù)外界的環(huán)境調(diào)節(jié)噴水量的大小，但功能單一?，F(xiàn)在雖然有很多專家在研究多因子為指標(biāo)實現(xiàn)大棚環(huán)境監(jiān)測的課題。但都只是提出一個形而上學(xué)的概念，根本沒有成型的產(chǎn)品更沒有相應(yīng)的科技產(chǎn)業(yè)化機構(gòu)。在國內(nèi)雖然在一些高科技示范園區(qū)能看到智能化蔬菜系統(tǒng)，但這些蔬菜大棚系統(tǒng)造價高，可移植性低，控制中心邏輯簡單，體積龐大。根本無法大面積推廣。

我們團隊在綜合考慮了現(xiàn)有的大棚系統(tǒng)存在的問題和溫室大棚的發(fā)展前景后設(shè)計出了智能蔬菜培育系統(tǒng)。本智能蔬菜培育系統(tǒng)的下位機通過傳感器監(jiān)測系統(tǒng)采集大棚內(nèi)的溫濕度，CO2濃度，光照強度，并將這些數(shù)據(jù)通過無線傳送給上位機，上位機對這些數(shù)據(jù)進行智能分析，并將分析結(jié)果與系統(tǒng)自帶的農(nóng)業(yè)專家級蔬菜培育意見進行對比并轉(zhuǎn)換成不同的系統(tǒng)指令控制下位機各個模塊動作，如，監(jiān)測到CO2濃度低是開啟CO2發(fā)生器。為解決管理大棚的人員專業(yè)化程度低的問題，我們的上位機特意集成了蔬菜小助手功能，通過這個小助手我們可以查到不同地區(qū)，不同蔬菜，不同生長階段的最佳生長環(huán)境參數(shù)，指導(dǎo)用戶合理栽培蔬菜。此外該系統(tǒng)擁有的天然雨水收集模塊和太陽能供電模塊不僅符合當(dāng)代節(jié)約環(huán)境的主題，還進一步淡化了系統(tǒng)和大棚本身對外界環(huán)境的要求。同時考慮到大棚管理人員不能24小時在大棚內(nèi)，本系統(tǒng)還集成了GSM遠程控制模塊，將系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)，方便用戶遠程控制大棚，如在下雨的晚上用戶可以通過手機發(fā)短信的方式開啟天然雨水收集模塊。

本系統(tǒng)以EXP-89S51單片機為控制核心，結(jié)合GSM無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、紅外技術(shù)、Labview技術(shù)，主要對蔬菜大棚內(nèi)的CO2濃度、光照強度、溫濕度進行有效、可靠的檢測與控制，并通過上位機對數(shù)據(jù)進行智能化處理，做出農(nóng)業(yè)專家級別的響應(yīng)。本系統(tǒng)具有檢測精度高、使用簡單、成本低和工作穩(wěn)定，功耗低，利用率高，可移植性好，適合中國國土遼闊氣候復(fù)雜經(jīng)緯跨度大的特點。

第二章 ?系統(tǒng)方案

通過實地考察和在網(wǎng)上查詢有關(guān)蔬菜大棚生產(chǎn)蔬菜的信息，并且對目前存在的蔬菜大棚工作的方式的分析，我們初步設(shè)計了系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)功能框圖

基于上面的系統(tǒng)功能框圖我們?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)計了三種工作模式：

工作模式1（默認工作模式）：

數(shù)據(jù)采集中心通過24L01無線將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)分析與處理中心和電腦上位機，液晶顯示屏實時顯示當(dāng)前環(huán)境狀況。在這種模式下用戶可以通過電腦上位機或紅外遙控來操作棚內(nèi)的各個子系統(tǒng)的運行，如人工補光子系統(tǒng)，溫濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，CO2發(fā)生器等等。

工作模式2：

此工作模式下，系統(tǒng)功耗最低，用戶可以在可以任何有中國聯(lián)通移動電信的信號的地方通過發(fā)送短信控制大棚內(nèi)的各個設(shè)備以及得到當(dāng)前棚內(nèi)的各個環(huán)境變量的當(dāng)前值，并可以通過短信發(fā)送各個環(huán)境變量的目標(biāo)值給系統(tǒng)，此工作模式下，用戶可以極其方便簡單的監(jiān)控整個大棚。

工作模式3：

此工作模式下，大棚無需人為的操作，大棚可以實時測量當(dāng)前環(huán)境變量的值，并與各環(huán)境變量的目標(biāo)值進行比較，然后自動控制各個設(shè)備的開與關(guān)，如風(fēng)扇，滴灌子模塊，人工補光子模塊，CO2發(fā)生器，直到當(dāng)前各個環(huán)境參量穩(wěn)定在各個環(huán)境參量的目標(biāo)值。此工作模式下，節(jié)省了大量的人力、物力、財力。同時實現(xiàn)了蔬菜種植的全智能化。

這三種工作模式可以很方便的切換，用戶可以根據(jù)不同的需要通過紅外遙控近距離切換或手機遠程切換工作模式。

第三章 ?功能與指標(biāo)

?

?

第四章 ?實施原理及過程

4.1傳感器原理

4.1.1溫濕度傳感器SHT11

SHT11是一款高度集成的數(shù)字溫濕度傳感器，采用專利的CMOSens技術(shù)，可抵御來自外界的影響，即使將傳感器浸入到液體中也不會受到損害；此外，溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起，使測量精度提高并且可以精確得出露點值，并且不會產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。該傳感器由1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件組成，并與1個14位A／D轉(zhuǎn)換器以及1個2-wire數(shù)字接口在單芯片中無縫結(jié)合，使得該產(chǎn)品具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。

SHT10的主要特點如下有：

相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出；

全部校準，數(shù)字輸出；

接口簡單(2-wire)，響應(yīng)速度快；

超低功耗，自動休眠；

出色的長期穩(wěn)定性；

超小體積(表面貼裝)；

測濕精度±4．5 RH，測溫精度0．5 ℃(25℃)。

SHT10的兩線串行接口(bidirectional 2-wire)在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類似IIC總線但并不兼容IIC總線。

① 串行時鐘輸入(SCK)。SCK 引腳是MCU 與SHTIO之間通信的同步時鐘，由于接口包含了全靜態(tài)邏輯，因此沒有最小時鐘頻率。

② 串行數(shù)據(jù)(DATA)。DATA引腳是1個三態(tài)門，用于MCU與SHT10之間的數(shù)據(jù)傳輸。DATA的狀態(tài)在串行時鐘SCK的下降沿之后發(fā)生改變，在SCK的上升沿有效。在數(shù)據(jù)傳輸期間，當(dāng)SCK為高電平時，DATA數(shù)據(jù)線上必須保持穩(wěn)定狀態(tài)。為避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，MCU應(yīng)該驅(qū)動DATA使其處于低電平狀態(tài)，而外部接1個上拉電阻將信號拉至高電平。該傳感器的性能說明和相對濕度、溫度和露點的精度曲線如下圖所示：

4.1.1.2光照強度傳感器GY-30

GY-30是一款高度集成的數(shù)字光照強度傳感器，采用I2C接口（f/s模式支持），測量范圍廣（1-65535勒克斯），并且具備低電流關(guān)機功能，該傳感器的說明圖如下圖所示：

4.1.1.3二氧化碳傳感器TGS4161

TGS4161是一個新型的固體二氧化碳傳感器，它提供了小型化和低功耗，二氧化碳濃度測量范圍為350—10000ppm。二氧化碳的敏感元件是由兩個固態(tài)電解質(zhì)組成，結(jié)合一個印制在基板上的RuO2加熱器，通過檢測兩個電極之間的電動勢的變化來測試二氧化碳氣體的濃度，此外傳感器電容的頂部含有沸石用來防止其他氣體（如乙醇）的干擾。TGS4161在讀數(shù)上ΔEMF（ElectroMotive Force:電動勢）和二氧化碳氣體濃度提供了對數(shù)上的線性關(guān)系。傳感器在高濕度的條件下顯示出了良好的長期穩(wěn)定和優(yōu)越的耐久性。其靈敏度特性圖如下圖所示：

4.2．GSM

系統(tǒng)使用的GSM模塊是雙頻900/1800MHZ高度集成的SIM900系列。SIM900A無線GSM通信模塊，集成了標(biāo)準的RS232接口以及SIM卡，其最高頻率可達90MHz，片內(nèi)4K以上FLASH程序存儲器，8K左右的片內(nèi)EEROM ，512B-1208B片內(nèi)RAM，36個IO口。通過使用sim900a無線GSM通信模塊，用戶可以遠程切換蔬菜大棚內(nèi)的工作模式，了解大棚內(nèi)各環(huán)境參數(shù)并調(diào)節(jié)。

4.3攝像頭遠程監(jiān)測模塊

通過組建局域網(wǎng)，將攝像頭與電腦通信，管理人員通過電腦上的上位機軟件可以調(diào)節(jié)攝像頭監(jiān)測角度，方便用戶遠程直觀了解棚內(nèi)蔬菜的生長態(tài)勢。同時，為了防止有人惡意進入大棚，當(dāng)有人通過非輸入密碼方式強行進入大棚時，攝像頭模塊對該人進行錄像并存儲在SD卡中，錄像可通過電腦上位機軟件查詢。

4.4太陽能供電模塊

太陽能光伏發(fā)電根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，充分利用太陽能資源，符合了當(dāng)代節(jié)約能源的主題。本模塊將這些電能存儲在蓄電池里面，當(dāng)檢測到蓄電池里面的電能不足以為系統(tǒng)供電時，電源管理模塊自動將電源切換到太陽能供電部分，以應(yīng)對停電等突發(fā)狀況。

4.5軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.5.1. 智能控制算法PID

PID算法廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制當(dāng)中，其控制算法簡單，計算量小，PID的算法公式是：

⊿U(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]

U(n)=⊿U(n)+U(n-1)

e(n) ,e(n-1), e(n-2)就是歷史上的三個設(shè)定值跟過程值之間的偏差。

本系統(tǒng)采用PID算法來控制溫度、濕度、光照強度等等。在保證環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定在其最佳值附近的同時，使其消耗的能量降到最低。ＰＩＤ算法部分程序如如所示：

4.6系統(tǒng)流程圖

4.6.1 從機程序流程圖：

4.6.2主機程序框圖：

4.6.3PC上位機應(yīng)用程序流程圖（Labview實現(xiàn)）

第五章 ?硬件框圖

本系統(tǒng)硬件部分主要包括：紅外遙控模塊、蜂鳴器報警器模塊、步進電機模塊、GSM模塊、攝像頭模塊、光照強度采集模塊、溫濕度采集模塊、CO2濃度采集模塊、顯示屏模塊、溫濕度調(diào)節(jié)模塊、光照強度調(diào)節(jié)模塊、CO2濃度調(diào)節(jié)模塊等。主機系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，從機1硬件框圖如圖3所示：

主機系統(tǒng)硬件框

從機系統(tǒng)硬件框圖

第六章 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

6.1硬件可靠性設(shè)計

單片機硬件系統(tǒng)的抗干擾能力與元器件質(zhì)量、裝配質(zhì)量等因素都有關(guān)系, 但其中起決定性作用的是設(shè)計過程，因此我們在設(shè)計過程中采用如下方式提高硬件的可靠性:

(1)采用光電隔離；

(2)采用過壓保護電路；

(3)采用抗干擾穩(wěn)壓電源；

(4)采用良好的接線。

6.2軟件可靠性設(shè)計

軟件部分的可靠性主要通過抗干擾設(shè)計實現(xiàn)，其中本系統(tǒng)的抗干擾部分主要包括以下部分：

(1) 采用數(shù)字濾波方法來抑制輸入通道的干擾；

(2)對數(shù)字輸出信號處理；

(3)對部分關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)的監(jiān)控

(4)采用指令冗余，軟件陷阱，“看門狗”等方法避免程序跑飛，提高軟件的穩(wěn)定性

第七章 ? ?產(chǎn)品市場前景分析

我國是農(nóng)業(yè)大國，設(shè)施園藝面積更是居世界首位，但是在大部分地區(qū)溫室大棚還是采用很原始的人工管理方式，傳統(tǒng)的人工管理模式具有高人力物力投入低產(chǎn)出，抵御自然災(zāi)害能力低等諸多弊端。隨著設(shè)施園藝迅速發(fā)展,智能化溫室隨之而生,它是設(shè)施農(nóng)業(yè)中的高級類型,擁有綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，有效的填補的各種人工管理的弊端。然而目前國內(nèi)雖然出現(xiàn)了一些智能化溫室，但核心技術(shù)都來源于國外，并且大都造價昂貴，傳感器技術(shù)一般，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性有待提高，只能用于觀光或者科研無法大面積投入使用。

了解到了智能化溫室在國內(nèi)的需求和廣闊的商業(yè)前景，我們團隊成員開發(fā)了一款智能蔬菜培育系統(tǒng)。本智能蔬菜培育系統(tǒng)是一款面向普通大棚種植戶的多功能型大棚自動化產(chǎn)品，以太陽能和電力作為能源，對大棚作物的光照強度、溫度和濕度自動進行調(diào)節(jié)，同時根據(jù)作物的需求自動澆水、調(diào)節(jié)光照強度、CO2濃度。該產(chǎn)品最大限度的降低了勞動強度和勞動力成本，有效地節(jié)約了水資源及肥料費用，實現(xiàn)了科學(xué)種植、精確管理、資源優(yōu)化配置與資源利用最大化。

該系統(tǒng)具有投資成本小，安裝簡易、設(shè)備維修費用低、可升級空間大、與其它設(shè)備兼容性好等特點。使用規(guī)模亦可大可小，不額外占用作物的土地面積，具有極好的市場適應(yīng)性。造型簡潔大方，美觀別致，不受地域限制，非常方便。因此無論用戶采用大棚種植蔬菜還是養(yǎng)殖花卉，或者培育幼苗，該設(shè)備都普遍適用，應(yīng)用范圍廣泛。該智能蔬菜培育系統(tǒng)一旦投入使用，投入成本回攏快，產(chǎn)生的效益可觀。有廣闊的市場前景。

第八章 ?特色與創(chuàng)新點

信號采集多元化，國內(nèi)首次實現(xiàn)將多因子為測控指標(biāo)傳達給控制中樞。將蔬菜大棚內(nèi)的溫濕度，光照強度，CO2濃度集測量與控制于一體，通過PID控制算法實現(xiàn)全自動化實時調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)的采集連續(xù)化處理實時化，增強其抵御突發(fā)災(zāi)害的能力，保證大棚內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。技術(shù)多元化，結(jié)合了GSM無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)等，建立起了監(jiān)測——控制全自動化的智能蔬菜培育系統(tǒng)；

GSM遠程控制模塊的引入和局域網(wǎng)技術(shù)的融合使該系統(tǒng)更加簡單高效的為用戶服務(wù)。創(chuàng)新性的融合局域網(wǎng)技術(shù)使該系統(tǒng)更加符合時代的主流，借助互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢使系統(tǒng)更好地為用戶服務(wù)。

開發(fā)了一款基于Labview的上位機，集接收、顯示、查詢、統(tǒng)計、報表打印、發(fā)布遠程控制命令等功能于一體。在VI上可以實時測量各個傳感器的數(shù)據(jù)，并以曲線形式直觀顯示。

上位機集成了蔬菜小助手功能，用戶可以通過它搜索各種蔬菜的專業(yè)培育知識，為用戶種植蔬菜提供農(nóng)業(yè)專家級別的建議。

能耗極低，集節(jié)水節(jié)電與一體，供電部分采用太陽能光伏發(fā)電，用水來自于天然雨水，充分利用了大自然的資源，獨有的太陽能電池板使系統(tǒng)能夠應(yīng)對突發(fā)的停電狀況。

制作成本低，硬件結(jié)構(gòu)簡單，控制核心邏輯嚴密，可靠性高，性能穩(wěn)定。

系統(tǒng)功能易擴充，系統(tǒng)設(shè)計時采用面向?qū)ο髾C制和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不需要改動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，容易增加新的模塊，使系統(tǒng)的功能擴充容易方便。

結(jié)論

經(jīng)過幾個月的努力，我們團隊完成了智能蔬菜培育系統(tǒng)的制作。

通過不斷的調(diào)試、改進、完善，我們的系統(tǒng)首先實現(xiàn)了最基本的功能——溫濕度、光照強度、CO2濃度的測量與控制。測量與控制的主要內(nèi)容為：當(dāng)大棚內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度、光照強度沒有穩(wěn)定在它們各自最佳值附近時，則系統(tǒng)啟動相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備，如滴灌系統(tǒng)、人工補光系統(tǒng)等等。此外，為使方便用戶直觀了解蔬菜大棚的狀態(tài)，我們還開發(fā)了一款基于Labview的上位機，上位機上可以實時顯示個傳感器數(shù)據(jù)的波形，同時也可以用上位機控制棚內(nèi)各個設(shè)備的運行。此外，我們的上位機還集成了一個蔬菜小助手工具，只要用戶輸入蔬菜的名字，則可查詢到當(dāng)前蔬菜的習(xí)性、最佳生長環(huán)境（如最佳溫濕度、最佳光照強度、最佳CO2濃度等等）。為用戶提供農(nóng)業(yè)專家級別的指導(dǎo)，大大方便用戶管理蔬菜大棚，也克服了只有網(wǎng)絡(luò)用戶才能上網(wǎng)查詢信息的缺點。當(dāng)用戶查詢到這些信息時，也可以直接在上位機上為系統(tǒng)設(shè)置各個環(huán)境最佳值。用戶還可以通過液晶顯示屏控制大棚各設(shè)備的運行，設(shè)置個環(huán)境參量最佳值進行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多種渠道控制大棚的狀態(tài)，在大棚內(nèi)可通過觸摸屏控制大棚設(shè)備，在家在辦公可通過上位機控制設(shè)備，在旅游在出差，可以通過手機及時了解大棚的狀態(tài)并且控制大棚內(nèi)設(shè)備的運行。

除此之外，在基本功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，我們實現(xiàn)了附加功能：

太陽能電池模塊，本系統(tǒng)采用了太陽能電池，除了節(jié)約能源外，還增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，淡化了系統(tǒng)對外界環(huán)境的要求，使其能推廣到電力設(shè)施不完善的地區(qū)。幫助國家充分利用每一塊土地。

通過人體紅外熱感應(yīng)模塊感應(yīng)到人體靠近系統(tǒng)時，顯示屏上會顯示歡迎界面，同時啟動顯示屏模塊；無人時，顯示屏進入低功耗狀態(tài)，這樣達到了節(jié)省電能的目的。

因此，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計的功能都已經(jīng)實現(xiàn)，并且已經(jīng)達到了預(yù)期效果，下面展示系統(tǒng)制作完成后的模型。

系統(tǒng)模型正視圖

系統(tǒng)模型右視圖

附錄A ：

從機各傳感器采集原理圖

GSM原理圖

?

?

審核編輯 ：李倩