基于单片机的蔬菜大棚农业自动化灌溉系统研究设计-本科生毕业.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。
1．1 AVR单片机
本设计中采用ATMEL公司8位单片机AT．m89a8L。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2．7～5，5V，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，AT．mega8L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，AT—mega8L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AT—mega8L是不带ⅡAG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。A1hega8／88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3．3V匹配电源，即单片机部分和无线射频模块供电也是通过3．3V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。
1．2 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2．4GHz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3．3V；
VSS：GND：
xc2，xcl：外接晶体振荡器引脚，典型值为16MH2；
VDD—PA：芯片内部功放供电端，输出电压为1．8 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3．3V，电流也不要过高，超过3．6V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 sho＆BurstTM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。
1．3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code—VisionAvR，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PRIM—Rx为高，打开所有使用的接收数据通道EN—RxADDR寄存器，设置好自动应答寄存器EN—AA，并能实现数据宽度调节Rx—Pw—Px。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。
2．2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PRIM—Rx设置为低，将湿度数据通过sPI写入到Tx—ADDR和Tx—PLD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<sPI h>。具体使用的函数如下：
unsigned
char
spi(unsigned
char 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2．4G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。
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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)：111—114
[2]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)：167—171
[3] 杨久红，王小增基于LPC2103的稻田自动灌溉系统[J]农机化研究，2叭1，33(2)：80—83
[4] 张洋，韩文霆作物灌水量决策支持系统开发[J]农机化研究，20n，33(2)：147—149
[5]张涛DPSQKS一1型灌溉自动控制器的研制[J]．农机化研究，2011，33(6)：84—86．
[6] 高军，任守华，朱景福农业灌溉远程控制系统的设计[J]农机化研究，20ll，33(7)：11l一113．
[7] 张丽红，孙磊，伦翠芬，等基于cAN总线的连栋温室节水灌溉控制系统[J]农机化研究，2011，33(6)：168—170
[8]石建飞，刘超，李爱传，等基于PLc的农田自动灌溉无线监控系统设计[J]．农机化研究，20u，33(11)：28—31，