基于單片機的蔬菜大棚農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)研究設計_畢業(yè)論文.doc

基于單片機的蔬菜大棚農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)研究設計摘要：隨著農(nóng)業(yè)自動化水平的提高農(nóng)業(yè)灌溉逐步發(fā)展到自動灌溉系統(tǒng)。為此，介紹一種基于單片機和射頻模塊nrf24lol來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，利用多點濕度傳感器檢測環(huán)境濕度的蔬菜大棚自動灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由主站和分站組成，主站和分站可以通過無線射頻模塊交換實時濕度數(shù)據(jù)，并由主站處理后發(fā)送控制信號控制分站的電磁閥實現(xiàn)自動灌溉。關鍵詞：農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)；avr單片機；無線射頻技術o引言隨著我國農(nóng)業(yè)自動化水平的提高，農(nóng)業(yè)灌溉由以往的人工灌溉發(fā)展到現(xiàn)在的自動灌溉，并且在多種地形和條件下使用，效果都非常不錯。但是，這種灌溉系統(tǒng)也有不少缺點，如不能檢測當前環(huán)境的濕度，只是按照灌溉時間間隔來進行控制；遇到比較大的種植面積，布線非常復雜，電纜需要做防水保護，制作成本和維護成本都非常高。所以，考慮到農(nóng)業(yè)灌溉的特殊性，本文提出了一種新型的自動灌溉系統(tǒng)，適用于多種農(nóng)業(yè)種植環(huán)境，以蔬菜大棚自動灌溉系統(tǒng)為例，從硬件和軟件設計方面分析：首先，布線方面不采用傳統(tǒng)的線路鋪設，而采用無線射頻模塊傳輸數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，具有較大的靈活性，并節(jié)約成本；其次，通過利用高性能avr單片機具有的spi方式，來控制發(fā)送和接收無線傳輸模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并可靠地控制電磁閥動作，利用單片機控制具有較強的實時性，并且可以移植到各種實時操作系統(tǒng)中實現(xiàn)；最后，蔬菜大棚室外降雨等因素可以忽略，使程序更加穩(wěn)定，并能有效的節(jié)約維護成本。1系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)由主站和分站組成點對多點的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，其中1個主站，多個分站，本設計中以3個分站為例，每個分站上其他電路由一個濕度傳感器、電磁閥驅(qū)動電路和電磁閥構成。主站與分站之間距離理論不超過l km，實際50m即可。主站和分站的核心都是利用avr單片機控制操作，主站單片機：主要接收濕度數(shù)據(jù)并處理，然后發(fā)送數(shù)據(jù)到相應分站，分站的單片機接收到數(shù)據(jù)后響應主站命令，從而控制電磁閥動作。11 avr單片機本設計中采用atmel公司8位單片機atm89a8l。該單片枧是atmel公司2002年第一季度推出的一款新型avr高檔單片機，atmega8l后面的“l(fā)”代表的是一款可以工作在低電壓狀態(tài)的單片機，工作電壓范圍在275，5v，atmega8l內(nèi)部集成了8kb在系統(tǒng)自編程flash，可擦寫次數(shù)達到了10000次，具有獨立的鎖定為可選boot代碼區(qū)，這可以通過片上boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程實現(xiàn)讀寫的同時性。片上還集成了512字節(jié)的eeprom，擦寫次數(shù)也達到了10 000次，lkb片內(nèi)的sram可以大幅提高編程的可靠性，用戶可以通過對鎖定為進行編程以實現(xiàn)用戶對程序的加密，使程序難以破解。atmega8l具有豐富的硬件接口電路，具有硬件spi和isp接口，atmega8l是基于先進的risc結(jié)構的8位單片機，由130條指令構成，大多數(shù)指令執(zhí)行的時問為單個時鐘周期，內(nèi)部具有32個8位通用工作寄存器構成，atmega8l單片機主要是將32個通用寄存器和130條指令結(jié)合在一起，所有的通用寄存器都與alu(算術邏輯單元)直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時訪問(讀寫)兩個獨立寄存器的操作。這種結(jié)構提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，athega8在16mhz的工作狀態(tài)下可以達到16mips的性能，運行速度比過去基于cisc結(jié)構的5l單片機高出近10倍。由于atmega8l是不帶ag接口的，所以要對atmega8l在線仿真另接一個仿真器或者采用atmega88來做前期的開發(fā)。批量生產(chǎn)時可將程序移植到a1hega8，并在程序中的寄存器名稱做修改。a1hega888最小系統(tǒng)及下載電路如圖1所示。本電路中的電源部分是根據(jù)nr砣4ldl的典型電壓33v匹配電源，即單片機部分和無線射頻模塊供電也是通過33v供電。另外，isp下載電路部分是提供程序下載調(diào)試用的，方便系統(tǒng)開發(fā)設計及日后升級用。12 nrf24ljdl及接口電路nrf24加l是nordic公司的一款無線芯片，該模塊特點是在24ghz全球開放ism頻段免許可證使用，即該頻段一般為民用通訊、遙控和數(shù)傳等不需要申請許可證就可以使用的。該芯片最高工作速率達到了2mbps，高效g聆k調(diào)制，抗干擾能力較強，適合工業(yè)控制場合，因為是免許可證的頻段，所以在同一地區(qū)使用該頻段的設備也相對多一些，為了避免誤操作，芯片內(nèi)部固有126個頻道，滿足多點通信和跳頻通信的需要，并且內(nèi)置硬件的crc檢錯和點對多點路由地址控制。該芯片最大的特點還是采用軟件設定地址的功能，即收到本機地址才會有輸出數(shù)據(jù)，這個過程是通過中斷源的形式完成的，可以直接接在各種單片機使用，特別是支持硬件spi的單片機，編程更加方便，其引腳分布及功能如圖2所示。ce：發(fā)射模式和接收模式使能引腳；csn，sck，m0si，mis0：spi功能定義端，主要通過該4位端口與avr單片機通信；irq：中斷標志位；vdd：芯片電源33v；vss：gnd：xc2，xcl：外接晶體振蕩器引腳，典型值為16mh2；vddpa：芯片內(nèi)部功放供電端，輸出電壓為18 v；antl，anl2：ant天線輸人端；iref：基準電流參考端；以上需要和單片機通信的引腳分別是csn，sck，m0si，mis0及irq，注意芯片的vdd電源電壓不要超過33v，電流也不要過高，超過36v會造成芯片永久燒毀。nrf24l0l的時序圖如圖3和圖4所示?？梢钥闯?，在發(fā)送模式下，數(shù)據(jù)的高位在前，低位在后，每寫一位都要返回一個狀態(tài)字，每次寫操作都可以讀回一個完整的狀態(tài)字，保證最大限度地不丟包。nrf24ldl的工作模式發(fā)送接收模式、系統(tǒng)配置模式、空閑狀態(tài)模式以及關機模式等4種，如表1所示。表l nrf24idl配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電4種工作模式表其中，發(fā)送接收模式有enhanced shockbursttm模式、shockbursttm模式和直接發(fā)送接收模式3種。在本設計中，采用enhanced shobursttm模式。這種模式下，軟件編程會稍微簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。nr砣4加1的應用原理如圖5所示。此外需要注意的是，nrf24iol的寄存器配置采用宏定義命令，通過宏定義命令將18字節(jié)的寄存器參數(shù)按照各個功能分解，以便于程序移植和修改。13電磁閥驅(qū)動電路電磁閥驅(qū)動電路是由2個npn和2個pnp三極管構成的h橋構成，外圍觸發(fā)采用施密特觸發(fā)器組成，每個分站的電磁閥由dc一6v供電，采用脈沖控制。分站avr單片機從pinl和pin2引腳輸出控制信號，觸發(fā)三極管的導通和關閉實現(xiàn)電流的流向變化控制電磁閥，如果pinl是高電平q1導通，通過施密特觸發(fā)器后q4也導通，電流流向是從右到左，如果pin2是高電平q2和q3導通，電流流向是從左到右，由于采用脈沖施密特觸發(fā)，即只在啟動和關閉電磁閥過程中消耗電量，這個過程類似于直流電機h橋驅(qū)動電路正反轉(zhuǎn)電路，所以電路簡單可靠。電磁閥驅(qū)動電路如圖6所示。2系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件的編寫平臺采用hp info tech的codevisionavr，該平臺雖然不帶nrf24l01的頭文件庫，但是自帶的spi庫文件會使編程更加方便。本文主要介紹主站和分站的軟件設計思路。2 1主站系統(tǒng)軟件主站是系統(tǒng)的核心，主要接收分站的濕度轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，并根據(jù)濕度數(shù)據(jù)的高低控制電磁閥的動作。由于nrf24ml是采用spi控制的，所以要配置好主站單片機的spi的工作方式，用到的寄存器包括avr單片機內(nèi)部的spcr，spsr，spdr。每位寄存器都是8位的，要和nrf24ldl的寄存器區(qū)別開來。由于主站大部分工作在接收時間上，所以配置寄存器位primrx為高，打開所有使用的接收數(shù)據(jù)通道enrxaddr寄存器，設置好自動應答寄存器enaa，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)寬度調(diào)節(jié)rxpwpx。最后，設置ce為高啟動接收模式，接收到數(shù)據(jù)包后需要校驗數(shù)據(jù)的地址和crc檢驗，如果都正確，并可以識別是哪個分站發(fā)送的數(shù)據(jù)，avr單片機將數(shù)據(jù)以合適的速率通過spi口將數(shù)據(jù)讀出。當主站工作在發(fā)送狀態(tài)時，主要是avr單片機根據(jù)預先設定好的程序，隨著濕度數(shù)據(jù)變化發(fā)送控制電磁閥的信號。由于大棚內(nèi)的濕度變化是緩慢的，所以程序設計中要有pid算法，將計算好超調(diào)量等數(shù)據(jù)寫入pid算法子程序當中，更好地控制電磁閥工作，達到節(jié)水的目的。22分站系統(tǒng)軟件分站系統(tǒng)軟件包括發(fā)送濕度數(shù)據(jù)到主站和應答主站命令，并控制電磁閥動作，期間要監(jiān)控濕度信號，配合好主站的pid算法，達到一種實時操作的目的。nr砣4lol工作在發(fā)送狀態(tài)幾乎和接收模式相反，配置寄存器位primrx設置為低，將濕度數(shù)據(jù)通過spi寫入到txaddr和txpld中，有且只有csn為低的時候發(fā)送數(shù)據(jù)是不斷被寫人的，并設置ce為高，啟動發(fā)射。注意ce高電平持續(xù)時間最小為10斗s，在這里設置spi功能函數(shù)的時候一定記得在頭文件聲明使用了spi函數(shù)，如#include。具體使用的函數(shù)如下：unsignedcharspi(unsignedchar data)；調(diào)用該函數(shù)前必須要設置spi控制寄存器spcr，即對spcr賦值。該函數(shù)的功能是發(fā)送1個字節(jié)，同時接收1個字節(jié)，spl函數(shù)通訊使用查詢方式，所以不需要設置spi中斷允許標志位spie。下面是主從機配置子程序：3結(jié)語本設計提出一種以無線射頻模塊nrf24idl和avr單片機構成的網(wǎng)絡來傳輸物理量數(shù)據(jù)，并控制電磁閥動作的蔬菜大棚自動灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構簡單，靈活性較高，節(jié)約了大面積布線的成本，也降低了故障率。檢測的數(shù)據(jù)可以實時上傳，并根據(jù)數(shù)據(jù)的變化做出實時控制。然而，設計中不免存在其他遙控設備的24g干擾和pid算法不科學等問題，希望通過配置跳頻方法消除干擾，改良傳統(tǒng)的pid算法，已達到更加節(jié)水的目的。托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項目。浙江托普儀器是國內(nèi)領先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領域的研發(fā)實力，和自主研發(fā)的配套設備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術、計算機技術、gis信息技術，以及物聯(lián)網(wǎng)技術，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡）、應用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠程控制異地園區(qū)進行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風機，自動補光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時看到作物的實時生長狀況。4、預警模塊：即遠程植保預警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報警、短信報警、語音報警等方式進行預警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實施實時信息自動記錄，有據(jù)可查，在儲藏、運輸、銷售階段采用二維碼或者rfid射頻技術對各個階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實現(xiàn)消費者拿到農(nóng)產(chǎn)品時通過終端設備或網(wǎng)絡就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央控制室。可通過總控室對整個區(qū)域情況進行監(jiān)測，包括各個區(qū)域采集點參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實時視頻圖像、施肥噴藥狀況、報警信息等。參考文獻：1劉俊巖，張海輝，胡瑾，等基于z-gbee的溫室自動灌溉系統(tǒng)設計與實現(xiàn)j農(nóng)機化研究，2012，34(1)：1111142蔣鼎國，張宇林，徐保國節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設計一基于wsn和模糊控制策略j農(nóng)機化研究，2012，34(2)：1671713 楊久紅，王小增基于lpc2103的稻田自動灌溉系統(tǒng)j農(nóng)機化研究