基于单片机的蔬菜大棚农业自动化灌溉系统研究设计-.doc

基于单片机的蔬菜大棚农业自动化灌溉系统研究设计摘要：随着农业自动化水平的提高农业灌溉逐步发展到自动灌溉系统。为此，介绍一种基于单片机和射频模块nRF24Lol来实现无线数据传输，利用多点湿度传感器检测环境湿度的蔬菜大棚自动灌溉控制系统。系统由主站和分站组成，主站和分站可以通过无线射频模块交换实时湿度数据，并由主站处理后发送控制信号控制分站的电磁阀实现自动灌溉。关键词：农业自动化灌溉系统；AvR单片机；无线射频技术O引言随着我国农业自动化水平的提高，农业灌溉由以往的人工灌溉发展到现在的自动灌溉，并且在多种地形和条件下使用，效果都非常不错。但是，这种灌溉系统也有不少缺点，如不能检测当前环境的湿度，只是按照灌溉时间间隔来进行控制；遇到比较大的种植面积，布线非常复杂，电缆需要做防水保护，制作成本和维护成本都非常高。所以，考虑到农业灌溉的特殊性，本文提出了一种新型的自动灌溉系统，适用于多种农业种植环境，以蔬菜大棚自动灌溉系统为例，从硬件和软件设计方面分析：首先，布线方面不采用传统的线路铺设，而采用无线射频模块传输数据和接收数据，具有较大的灵活性，并节约成本；其次，通过利用高性能AVR单片机具有的sPI方式，来控制发送和接收无线传输模块传输的数据，并可靠地控制电磁阀动作，利用单片机控制具有较强的实时性，并且可以移植到各种实时操作系统中实现；最后，蔬菜大棚室外降雨等因素可以忽略，使程序更加稳定，并能有效的节约维护成本。1系统硬件设计本系统由主站和分站组成点对多点的无线数据传输网络，其中1个主站，多个分站，本设计中以3个分站为例，每个分站上其他电路由一个湿度传感器、电磁阀驱动电路和电磁阀构成。主站与分站之间距离理论不超过l km，实际50m即可。主站和分站的核心都是利用AVR单片机控制操作，主站单片机：主要接收湿度数据并处理，然后发送数据到相应分站，分站的单片机接收到数据后响应主站命令，从而控制电磁阀动作。11 AVR单片机本设计中采用ATMEL公司8位单片机ATm89a8L。该单片枧是ATMEL公司2002年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机，ATmega8L后面的“L”代表的是一款可以工作在低电压状态的单片机，工作电压范围在275，5V，ATmega8L内部集成了8kB在系统自编程FLAsH，可擦写次数达到了10000次，具有独立的锁定为可选Boot代码区，这可以通过片上Boot程序实现系统内编程实现读写的同时性。片上还集成了512字节的EEPROM，擦写次数也达到了10 000次，lkB片内的sRAM可以大幅提高编程的可靠性，用户可以通过对锁定为进行编程以实现用户对程序的加密，使程序难以破解。ATmega8L具有丰富的硬件接口电路，具有硬件sPI和IsP接口，ATmega8L是基于先进的RIsc结构的8位单片机，由130条指令构成，大多数指令执行的时问为单个时钟周期，内部具有32个8位通用工作寄存器构成，ATmega8L单片机主要是将32个通用寄存器和130条指令结合在一起，所有的通用寄存器都与ALu(算术逻辑单元)直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问(读写)两个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。因此，AThega8在16MHz的工作状态下可以达到16MIPs的性能，运行速度比过去基于cIsc结构的5l单片机高出近10倍。由于ATmega8L是不带AG接口的，所以要对ATmega8L在线仿真另接一个仿真器或者采用ATmega88来做前期的开发。批量生产时可将程序移植到A1hega8，并在程序中的寄存器名称做修改。A1hega888最小系统及下载电路如图1所示。本电路中的电源部分是根据nR砣4LDl的典型电压33V匹配电源，即单片机部分和无线射频模块供电也是通过33V供电。另外，IsP下载电路部分是提供程序下载调试用的，方便系统开发设计及日后升级用。12 nRF24LJDl及接口电路nRF24加l是Nordic公司的一款无线芯片，该模块特点是在24GHz全球开放IsM频段免许可证使用，即该频段一般为民用通讯、遥控和数传等不需要申请许可证就可以使用的。该芯片最高工作速率达到了2Mbps，高效G聆K调制，抗干扰能力较强，适合工业控制场合，因为是免许可证的频段，所以在同一地区使用该频段的设备也相对多一些，为了避免误操作，芯片内部固有126个频道，满足多点通信和跳频通信的需要，并且内置硬件的cRC检错和点对多点路由地址控制。该芯片最大的特点还是采用软件设定地址的功能，即收到本机地址才会有输出数据，这个过程是通过中断源的形式完成的，可以直接接在各种单片机使用，特别是支持硬件sPI的单片机，编程更加方便，其引脚分布及功能如图2所示。cE：发射模式和接收模式使能引脚；csN，scK，M0sI，MIs0：sPI功能定义端，主要通过该4位端口与AVR单片机通信；IRQ：中断标志位；VDD：芯片电源33V；VSS：GND：xc2，xcl：外接晶体振荡器引脚，典型值为16MH2；VDDPA：芯片内部功放供电端，输出电压为18 V；ANTl，ANl2：ANT天线输人端；IREF：基准电流参考端；以上需要和单片机通信的引脚分别是cSN，scK，M0sI，MIs0及IRQ，注意芯片的VDD电源电压不要超过33V，电流也不要过高，超过36V会造成芯片永久烧毁。nRF24L0l的时序图如图3和图4所示。可以看出，在发送模式下，数据的高位在前，低位在后，每写一位都要返回一个状态字，每次写操作都可以读回一个完整的状态字，保证最大限度地不丢包。nRF24LDl的工作模式发送接收模式、系统配置模式、空闲状态模式以及关机模式等4种，如表1所示。表l nRF24IDl配置为发射、接收、空闲及掉电4种工作模式表其中，发送接收模式有Enhanced shockBurstTM模式、shockburstTM模式和直接发送接收模式3种。在本设计中，采用Enhanced shoBurstTM模式。这种模式下，软件编程会稍微简单，系统稳定性更高。nR砣4加1的应用原理如图5所示。此外需要注意的是，nRF24Iol的寄存器配置采用宏定义命令，通过宏定义命令将18字节的寄存器参数按照各个功能分解，以便于程序移植和修改。13电磁阀驱动电路电磁阀驱动电路是由2个NPN和2个PNP三极管构成的H桥构成，外围触发采用施密特触发器组成，每个分站的电磁阀由Dc一6V供电，采用脉冲控制。分站AvR单片机从PINl和PIN2引脚输出控制信号，触发三极管的导通和关闭实现电流的流向变化控制电磁阀，如果PINl是高电平Q1导通，通过施密特触发器后Q4也导通，电流流向是从右到左，如果PIN2是高电平Q2和Q3导通，电流流向是从左到右，由于采用脉冲施密特触发，即只在启动和关闭电磁阀过程中消耗电量，这个过程类似于直流电机H桥驱动电路正反转电路，所以电路简单可靠。电磁阀驱动电路如图6所示。2系统软件设计系统软件的编写平台采用HP info Tech的codeVisionAvR，该平台虽然不带nRF24L01的头文件库，但是自带的sPI库文件会使编程更加方便。本文主要介绍主站和分站的软件设计思路。2 1主站系统软件主站是系统的核心，主要接收分站的湿度转换的数据，并根据湿度数据的高低控制电磁阀的动作。由于nRF24ml是采用sPI控制的，所以要配置好主站单片机的sPI的工作方式，用到的寄存器包括AVR单片机内部的sPcR，sPsR，sPDR。每位寄存器都是8位的，要和nRF24LDl的寄存器区别开来。由于主站大部分工作在接收时间上，所以配置寄存器位PRIMRx为高，打开所有使用的接收数据通道ENRxADDR寄存器，设置好自动应答寄存器ENAA，并能实现数据宽度调节RxPwPx。最后，设置cE为高启动接收模式，接收到数据包后需要校验数据的地址和cRc检验，如果都正确，并可以识别是哪个分站发送的数据，AvR单片机将数据以合适的速率通过sPI口将数据读出。当主站工作在发送状态时，主要是AVR单片机根据预先设定好的程序，随着湿度数据变化发送控制电磁阀的信号。由于大棚内的湿度变化是缓慢的，所以程序设计中要有PID算法，将计算好超调量等数据写入PID算法子程序当中，更好地控制电磁阀工作，达到节水的目的。22分站系统软件分站系统软件包括发送湿度数据到主站和应答主站命令，并控制电磁阀动作，期间要监控湿度信号，配合好主站的PID算法，达到一种实时操作的目的。nR砣4Lol工作在发送状态几乎和接收模式相反，配置寄存器位PRIMRx设置为低，将湿度数据通过sPI写入到TxADDR和TxPLD中，有且只有csN为低的时候发送数据是不断被写人的，并设置cE为高，启动发射。注意cE高电平持续时间最小为10斗s，在这里设置sPI功能函数的时候一定记得在头文件声明使用了sPI函数，如#include。具体使用的函数如下：unsignedcharspi(unsignedchar data)；调用该函数前必须要设置sPI控制寄存器sPcR，即对sPcR赋值。该函数的功能是发送1个字节，同时接收1个字节，sPl函数通讯使用查询方式，所以不需要设置sPI中断允许标志位sPIE。下面是主从机配置子程序：3结语本设计提出一种以无线射频模块nRF24IDl和AVR单片机构成的网络来传输物理量数据，并控制电磁阀动作的蔬菜大棚自动灌溉系统。该系统结构简单，灵活性较高，节约了大面积布线的成本，也降低了故障率。检测的数据可以实时上传，并根据数据的变化做出实时控制。然而，设计中不免存在其他遥控设备的24G干扰和PID算法不科学等问题，希望通过配置跳频方法消除干扰，改良传统的PID算法，已达到更加节水的目的。托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。托普物联网三大系统产品我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）托普物联网模块化智能集成系统托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。参考文献：1刘俊岩，张海辉，胡瑾，等基于z-gBee的温室自动灌溉系统设计与实现J农机化研究，2012，34(1)：1111142蒋鼎国，张宇林，徐保国节水灌溉监控系统设计一基于wsN和模糊控制策略J农机化研究，2012，34(2)：1671713 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