溫室大棚精細(xì)化管理系統(tǒng)

溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是繼承傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢，針對農(nóng)業(yè)自身特點(diǎn)以及現(xiàn)實(shí)存在的問題進(jìn)一步完善的新性能系統(tǒng)。該系統(tǒng)將智能化信息處理功能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，通過采用MSP430實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)各種信息的采集和反饋，通過

光照強(qiáng)度模塊、溫度模塊、土壤濕度模塊、各種驅(qū)動(dòng)模塊以及液晶顯示屏等模塊來對大棚進(jìn)行控制與監(jiān)測。使人工管理這一復(fù)雜的監(jiān)測任務(wù)簡單化、準(zhǔn)確化。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)使用MSP-EXP430G2 LaunchPad作為核心板，MSP430 系列是一個(gè)16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)。

溫室大棚精細(xì)化管理系統(tǒng)以MSP430G2553單片機(jī)為核心，擴(kuò)展了一個(gè)光照強(qiáng)度模塊、溫度模塊、土壤濕度模塊、各種驅(qū)動(dòng)模塊以及能夠給予用戶觀察的TFT液晶顯示屏，充分合理的利用了單片機(jī)上的各個(gè)硬件資源。我們通過四個(gè)按鍵來控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)顯示狀況，它們分別為移位鍵、調(diào)整鍵、功能鍵和確定鍵。

1.2 主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)的硬件主要是MSP430G2553為核心芯片，它具有較多的中斷源、穩(wěn)定的系統(tǒng)工作、豐富的片上外圍模塊、強(qiáng)大的處理能力以及有基于USB的集成型仿真器，充分利用這些資源使得我們的軟件得到很好的開發(fā)要求。

考慮到單片機(jī)的I/O接口不足的問題，本設(shè)計(jì)中就合理的利用外接低頻晶振上的兩個(gè)接口作為外擴(kuò)的I/O端口。板子自帶一個(gè)仿真器，上面接有一個(gè)USB接口，可以將外部電壓轉(zhuǎn)化成5V電壓，在板子上的各個(gè)I/O端口，如若導(dǎo)通，則均為3.3V。

1.3 參數(shù)采集

該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集時(shí)，使用了三大模塊其分別為：光照強(qiáng)度傳感器模塊、LM35溫度傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊。各個(gè)模塊也用到了各自不同的單片機(jī)上的管腳，光照度檢測用的是P1.6，溫度傳感器是P1.2，濕度傳感器是P1.7。三大模塊同時(shí)構(gòu)成，形成對大棚全方位的檢測，使得大棚內(nèi)部詳細(xì)信息被客戶所掌握。

1.3.1 光照強(qiáng)度模塊

設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用ADC采樣出來的AD_Result*2500/1023作為光照度檢測的最終結(jié)果，我們充分利用到了硅光電池三大特性中的光照特性，即指在不同光照強(qiáng)度下，硅光電池的短路電流和開路電壓的大小。

    1.3.2  溫度傳感器模塊

LM35是一種得到廣泛使用的精密集成溫度傳感器，其輸出電壓正比于當(dāng)前溫度（攝氏度），由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0℃開始。 LM35工作電壓4～30V，在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50μ A），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。其輸出電壓和溫度成良好的線性關(guān)系，無需外部校準(zhǔn)，V out=10.0mV/℃ * T℃，其中T為當(dāng)前溫度。

1.3.3  土壤濕度傳感器模塊

在作品中，我們自制了一個(gè)土壤濕度傳感器，該傳感器只需要一個(gè)FC-28探頭和一個(gè)510KΩ的電阻，利用電阻和土壤濕度的正相關(guān)關(guān)系，可以測得在土壤中不同濕度情況下的濕度所占的百分比。

1.4 控制調(diào)節(jié)

該系統(tǒng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)、水閥驅(qū)動(dòng)和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)大棚的控制與調(diào)節(jié)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)控制不同的電路模塊，并且實(shí)現(xiàn)不同的功能，使其大棚里的農(nóng)作物健康成長。

1.4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制，具有兩個(gè)信號輸入端，分別接在單片機(jī)兩個(gè)不同的I/O口上，從而控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，同時(shí)還有一個(gè)電源信號線，只要給驅(qū)動(dòng)電路加上5V的電壓，該驅(qū)動(dòng)電路就可以正常工作。當(dāng)光照強(qiáng)度超過了所設(shè)定的農(nóng)作物需求值時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)使得卷簾合上，達(dá)到遮光的目的。

1.4.2 水閥驅(qū)動(dòng)電路

該系統(tǒng)所采用的是DC12V常閉式的電磁水閥，由于單片機(jī)管腳輸出的邏輯電平是0-3.3V，所以中間使用了由三極管和電磁閥繼電器HK4100F組成的驅(qū)動(dòng)電路。通過控制三極管工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài)，就可以控制水閥的啟用和停止，從而解決灌溉問題，使得農(nóng)作物得到合理的灌溉。

1.4.3 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路

風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路是該系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最簡單的一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，它只用到了一個(gè)三極管和一個(gè)電阻，通過控制三極管工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的啟用和停止，從而使得大棚內(nèi)部能夠保持通風(fēng)。

1.5 信息處理模塊

信息處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，包括環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)置、信號處理和控制三個(gè)部分。環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)置一方面將某一時(shí)間范圍內(nèi)農(nóng)作物正常生長對溫度、濕度、光照的要求進(jìn)行設(shè)置，另一方面可以將各個(gè)大棚內(nèi)農(nóng)作物生長的信息反饋到顯示屏上，做到時(shí)刻掌握信息。信息處理實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)并反饋其信息，為控制監(jiān)控提供依據(jù)，控制部分則由此發(fā)出各種相應(yīng)的信號。控制部分通過驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，分別是：電機(jī)、水閥和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，能夠按實(shí)測溫、濕度和光照強(qiáng)度和其設(shè)定的值通過單片機(jī)的運(yùn)算輸出信號，來掌握大棚內(nèi)植物的各種信息，并發(fā)出一些補(bǔ)救的命令。例如，當(dāng)大棚內(nèi)的溫度過高時(shí)，經(jīng)過單片機(jī)的處理使得風(fēng)扇打開，從而使得內(nèi)部溫度降低。

2 結(jié)論

本作品用到了TI公司開發(fā)的MSP430G2553，以單片機(jī)為主要控制系統(tǒng)，其它各個(gè)模塊為輔的方式，共同作用對大棚實(shí)行了嚴(yán)密的監(jiān)控。并且在用各種傳感器時(shí)測得數(shù)據(jù)的精度也各自不同，光照度的精度可達(dá)1Lx，土壤濕度的精度為1%，溫度的精度是0.1℃，然而在調(diào)整上下限時(shí)，只有溫度的精度變成了1℃，其他兩個(gè)模塊所測得的數(shù)據(jù)的精度均不變。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/qk/21223.html