【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的問題逐漸成為阻礙我國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的一大隱患。解決此問題的關(guān)鍵是大力發(fā)展農(nóng)業(yè)科技 ,逐步走向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。溫室大棚技術(shù)在農(nóng)業(yè)中有著舉足輕重的作用 ,是提高農(nóng)業(yè)科技水平的關(guān)鍵。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)采用的是網(wǎng)絡(luò)式的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。上位機(jī)由AT89S51 單片機(jī)作為控制器 ,外加 LCD1602 和若干按鍵構(gòu)成人機(jī)交互界面 ,同時(shí)設(shè)有報(bào)警裝置。:上位機(jī)主要完成的功能是接收下位機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)并顯示溫室大棚中的平均溫度和平均濕度。用戶可以通過按鍵對(duì)進(jìn)行溫度和濕度的設(shè)定。同時(shí) ,還具有報(bào)警機(jī)制 ,當(dāng)某處的溫度和濕度出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并顯示異常點(diǎn)。下位機(jī)由ATtiny2313和溫濕度傳感器組成。主要完成的工作是溫度信號(hào)與濕度信號(hào)的采集,同時(shí)傳輸給上位機(jī)。ATtiny2313是 AT2MEL 公司發(fā)布的AVR 系列中的一款低端產(chǎn)品。該芯片采用的 RISC結(jié)構(gòu),比相同時(shí)鐘的51單片機(jī)執(zhí)行速度快約12倍。它有20個(gè)引腳,其中有18個(gè)是可編程的 I0口,具有豐富的擴(kuò)展功能,并且內(nèi)部集成了RC振蕩器,無需外部晶振。芯片還具有三個(gè)定時(shí)器其中一個(gè)帶有捕獲功能,兩個(gè)外部中斷。芯片價(jià)格低廉也是其優(yōu)點(diǎn)之一。上位機(jī)與下位機(jī)通信采用的 RS485總線形式,這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)雙向通信,它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的。 上位機(jī)硬件框圖 系統(tǒng)工作原理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度 ,經(jīng)過數(shù)字濾波處理后存儲(chǔ)在控制器中 ,當(dāng)上位機(jī)查詢下位機(jī)時(shí) ,下位機(jī)通過RS485 總線將溫度值和濕度值傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)每隔 10 分鐘查詢一次所有的下位機(jī) ,將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)行處理 ,排除干擾值 ,確定當(dāng)前的溫室大棚的溫度和濕度 ,同時(shí)將其顯示在 LCD 屏上。上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前溫室大棚的溫度和濕度 ,判斷是否需要操作相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上位機(jī)除了正常的數(shù)據(jù)收集和顯示作用外 ,還可以通過按鍵進(jìn)行溫濕度的設(shè)定 ,查詢每個(gè)下位機(jī)的具體值。同時(shí)還具有報(bào)警功能 ,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到溫濕度異常時(shí)能經(jīng)行聲光報(bào)警。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件主要有鍵盤模塊 ,顯示模塊 ,控制決策模塊 ,通訊模塊 ,和報(bào)警模塊。鍵盤模塊功能包括參數(shù)和功能設(shè)置,下位機(jī)查詢。顯示模塊是用于同時(shí)顯示測(cè)得的溫度值和濕度值?？刂茮Q策模塊根據(jù)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)判斷當(dāng)前是否需要調(diào)溫或調(diào)濕。通訊模塊功能是與下位機(jī)經(jīng)行數(shù)據(jù)的傳輸。報(bào)警模塊是指溫度或濕度出現(xiàn)異常時(shí),發(fā)出警報(bào)。 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件主要有采集模塊 ,通訊模塊和控制模塊。采集模塊主要完成溫度 19采集和濕度采集。通訊模塊主要完成向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的工作?？刂颇K功能是控制調(diào)溫裝置和調(diào)濕裝置。 誤差分析系統(tǒng)誤差來源有兩個(gè) ,一個(gè)是系統(tǒng)硬件 ,另一個(gè)是系統(tǒng)軟件。硬件帶來的誤差包括傳感器選型,采樣電路器件選型和電路設(shè)計(jì)等方面。軟件誤差主要是指異常數(shù)據(jù)的干擾和數(shù)值處理的精度。減小誤差的方法有以下幾種:（1）選擇高精度的傳感器。（2）設(shè)計(jì)抗干擾性強(qiáng)的電路。（3）選擇支持浮點(diǎn)運(yùn)算的控制器。（4）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波 ,排除干擾。（5）數(shù)值處理利用定點(diǎn)算法。本系統(tǒng)在選擇合適的器件和合理的電路同時(shí) ,在軟件上也采用了數(shù)字濾波和定點(diǎn)算法 ,減小了系統(tǒng)誤差。 可靠性設(shè)計(jì)用于工業(yè)控制場(chǎng)合的系統(tǒng)對(duì)可靠性有較高的要求, 只有具有較高可靠性的系統(tǒng)才具有實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)的可靠性包括軟件的可靠性和硬件的可靠性。 硬件可靠性設(shè)計(jì)單片機(jī)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, 但其中起決定作用的是設(shè)計(jì)過程, 因此在設(shè)計(jì)中我們采取了以下抗干擾措施:(1)采用光電隔離；(2)采用過壓保護(hù)電路；(3)采用抗干擾穩(wěn)壓電源；(4)采用良好的接地系統(tǒng)。 軟件可靠性設(shè)計(jì)軟件部分可靠性主要通過抗干擾設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn), 其中本系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)字輸出信號(hào)處理；(3)對(duì)部分關(guān)鍵控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；(4)采用指令冗余、軟件陷阱、“ 看門狗” 等方法避免程序混亂。第4章 溫室大棚的GPRS監(jiān)控系統(tǒng)GRPS的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng),是基于目前我國(guó)溫室大棚生產(chǎn)的特點(diǎn),既能滿足個(gè)體農(nóng)民生產(chǎn)的需要,又便于企業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)的需要。該系統(tǒng)不但能完成對(duì)溫室大棚參數(shù)實(shí)時(shí)高精度測(cè)量,而且能實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)、灌溉等的智能控制及報(bào)警提示,而且也能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)保濕、通風(fēng)和光照調(diào)節(jié)。并可聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)顯示及語(yǔ)音播報(bào),進(jìn)行溫度報(bào)警。報(bào)警通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信的方式發(fā)送到管理員的手機(jī)上,以便及時(shí)處理。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由兩部分組成:下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmega16為核心,采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT15測(cè)量溫室溫度和濕度。ATmega16接受多路傳感器模塊信息并進(jìn)行處理、判斷,控制LCD液晶模塊FYD128640402B實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)；然后控制溫度、濕度、光照控制器調(diào)節(jié)溫室環(huán)境參數(shù),最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；監(jiān)控中心為通過串口與GPRS模塊連接的計(jì)算機(jī),完成各種信息的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和控制命令發(fā)送功能。如系統(tǒng)出現(xiàn)異常,則通過控制GPRS模塊將異常信號(hào)發(fā)送到管理員的手機(jī)上。本設(shè)計(jì)采用Sony／Ericsson公司工業(yè)GPRS模塊GR64。該模塊接收ATmega16指令信息, 將信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)系統(tǒng)是以X86計(jì)算機(jī)為核心的C/ S 模型的網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理和保存。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)的,以SQL Server 2005為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[3,4]。數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)訪問采用ODBC方式,用SQL 語(yǔ)句進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),可以通過表格控件顯示其數(shù)據(jù),也可以通過圖形控件畫出用戶所需的各種曲線。用戶還可以根據(jù)需要打印數(shù)據(jù)表格和圖形。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 硬件電路設(shè)計(jì) 信號(hào)檢測(cè)溫室大棚各點(diǎn)的溫度、濕度及光照等與位置的不同而分布不均勻,各點(diǎn)差異較大,為提高測(cè)量精度, 對(duì)于室內(nèi)不同位置,采用多點(diǎn)檢測(cè)和循環(huán)檢測(cè)的方式。 空氣溫濕度的檢測(cè)濕濕度的檢測(cè)即溫室內(nèi)的空氣溫度和濕度,采用數(shù)字溫度傳感器 SHT15,該傳感器是瑞士 Sensirion 推出的 SHTxx系列數(shù)字溫濕度傳感器,基于領(lǐng)先世界的CMOSens174。數(shù)字傳感技術(shù),具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。全量程標(biāo)定,兩線數(shù)字接口,可與單片機(jī)直接相連,大大縮短研發(fā)時(shí)間、簡(jiǎn)化外圍電路并降低費(fèi)用。此外,體積微小、響應(yīng)迅速、低能耗、可浸沒、抗干擾能力強(qiáng)、溫濕一體,兼有露點(diǎn)測(cè)量,性價(jià)比高,使該產(chǎn)品能夠適于多種場(chǎng)合的應(yīng)用。 溫室參數(shù)的 LCD顯示LCD 模塊選用帶中文字庫(kù)的FYD128640402B ,它是可以顯示8 4 行1616漢字的帶背光的液晶模塊?？梢院芊奖愕貜腖CD 直觀地讀出溫度數(shù)據(jù)。 GPRS通信模塊GPRS 通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service)作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)(GSM)向第三代移動(dòng)通信(3G)的過渡技術(shù),采用先進(jìn)的無線分組技術(shù),將移動(dòng)通信與INTERNET緊密結(jié)合GPRS數(shù)據(jù)終端支持TCP /IP、PPP協(xié)議和透明數(shù)據(jù)傳輸,每個(gè)用戶可占用多個(gè)信道,同一信道又可以為多個(gè)用戶共享。GPRS無線網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于能提高資源利用率,在通信過程中不需要建立保持電路,符合數(shù)據(jù)通信突發(fā)性的特點(diǎn),它組網(wǎng)迅速靈活、成本低、覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)在線、按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)、登錄網(wǎng)絡(luò)快捷等。由于GPRS的這些特點(diǎn),使它適合多點(diǎn)分散的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)選用GPRS通信取代GSM短消息的原因,是因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高,GPRS具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn),所以無論從性能或是經(jīng)濟(jì)角度, GPRS 較GSM 短信都有很大優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)中采用GPRS模塊GR64, GR64是Sony/Ericsson公司最新推出的一款內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊,可向下兼容GR4,基于EGSM 900/GSM 1800 網(wǎng)絡(luò),串行接口符合V24 協(xié)議,支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真和短信息功能。本文采用其串行接口,SIM卡接口和電源接口。通過連接開通GPRS 功能的SIM卡系統(tǒng)就能夠通過GPRS 網(wǎng)絡(luò) 22連接到Internet上。在本系統(tǒng)中 ,它帶有GSM /GPRS全套語(yǔ)音和數(shù)據(jù)功能,具有M2M通信解決方案的全部核心功能。GR64內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,通過其異步串行通信接口UART1,使用相應(yīng)AT指令進(jìn)行開發(fā),可方便地實(shí)現(xiàn)GPRS通信。 系統(tǒng)控制器該設(shè)計(jì)AVR單片機(jī)ATmega16作為主控器。該系統(tǒng)由單片機(jī)對(duì)溫度濕度等參數(shù)進(jìn)行巡回測(cè)量,并對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償,并進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)啟動(dòng)溫濕度轉(zhuǎn)換后, SHT15 開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后的數(shù)據(jù)值暫存在AVR單片機(jī)ATmega16的寄存器中,最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。通過AVR單片機(jī)ATmega16控制SHT15 每3 s啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。此外,主控制器同時(shí)完成系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量,數(shù)據(jù)存儲(chǔ), LCD顯示以及與上位機(jī)通信等功能。主控器控制功能主要包括調(diào)濕、調(diào)溫、調(diào)節(jié)光照、自動(dòng)灌溉等控制。調(diào)濕調(diào)溫通過AVR單片機(jī)ATmega16控制加熱爐和風(fēng)機(jī)完成升溫,室內(nèi)降溫主要通過水簾、風(fēng)機(jī)完成。土壤調(diào)濕主要通過澆水來實(shí)現(xiàn),由自動(dòng)噴頭來完成。室外保溫通風(fēng)調(diào)光主要采用自動(dòng)頂棚（帶遮光布）、自動(dòng)側(cè)窗完成。當(dāng)超過報(bào)警限時(shí),通過語(yǔ)音芯片和發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警。GPRS通信通過ATmega16向GPRS模塊發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)。 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用C51語(yǔ)言設(shè)計(jì)。該語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)豐富、運(yùn)算速度快、占用資源少、可靠性高。在設(shè)計(jì)中采用模塊化方式,主要由主程序,溫度、濕度、光照、土壤濕度等參數(shù)采集子程序, 外圍設(shè)備控制子程序, GPRS模塊控制子程序等模塊組成。軟件系統(tǒng)主要包括兩部分,一部分是單片機(jī)軟件,一部分是控制中心計(jì)算機(jī)軟件。 單片機(jī)部分軟件主要完成的功能是: 接收溫度、濕度數(shù)據(jù)采集信息,與設(shè)定值進(jìn)行比較, 如果超出設(shè)定范圍向GPRS模塊發(fā)送告警信息,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心和管理者告警。接收手機(jī)模塊中的控制信息控制溫濕度等控制器,如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)接受不到控制信息, 則對(duì)于大棚參數(shù)數(shù)據(jù)按照默認(rèn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。AVR單片機(jī)與GPRS模塊的通信其實(shí)就是單片機(jī)通過AT 指令控制GPRS模塊,通過向GPRS手機(jī)模塊寫入不同的AT 指令能完成多種功能,如網(wǎng)絡(luò)登陸、發(fā)送GPRS消息、讀取GPRS消息等。 計(jì)算機(jī)部分軟件主要完成對(duì)溫室大棚的控制以及信息管理,通過串口與工業(yè)GPRS模塊連接, 讀取模塊中接收到的信息流,進(jìn)行相關(guān)處理,或者完成控制信息的發(fā)送。同樣是通過AT 指令完成,也就是通過串口向GPRS模塊發(fā)送AT 指令。 常用的GPRS AT指令以及設(shè)置通過PC 的超級(jí)終端使用AT 命令對(duì)GPRS 模塊進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)SOCKET 通信。(1)建立一個(gè)TCP通信: AT*E2IPO=X,“”,PORT 建立SOCKET 連接, 地址,PORT 為端口號(hào)。(2)接收數(shù)據(jù): AT*E2IPACT=XX=1時(shí)為接收數(shù)據(jù)共享是在局域網(wǎng)中共享的,通過Windows 套接字實(shí)現(xiàn)的。用戶目前可以使用兩種套接字,它們是數(shù)據(jù)報(bào)套接字(datagram socket s)和流式套接字(stream socket s)。數(shù)據(jù)報(bào)套接字使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP),流式套接字使用傳輸控制協(xié)議(TCP)。由于溫度數(shù)據(jù)的共享是隨機(jī)訪問的,不需要一直訪問數(shù)據(jù),所以本文使用UDP方式。UDP