蔬菜大棚智能測控系統(tǒng)

蔬菜大棚智能測控系統(tǒng)基于嵌入式Web服務(wù)器的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)：現(xiàn)代化的溫室監(jiān)控系統(tǒng)用來實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度、CO2濃度、葉面濕度、露點(diǎn)溫度等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報(bào)警信息。當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值的時(shí)候，自動(dòng)開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備?，F(xiàn)有的溫室監(jiān)控系統(tǒng)采用無線方式的居多，且傳輸范圍有限，價(jià)格比較昂貴，與其他系統(tǒng)的兼容性不好。本設(shè)計(jì)提出基于以太網(wǎng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，使用Luminary公司的LM3S102處理器，在其有限的內(nèi)存空間上構(gòu)建精簡的TCP／IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)通用的嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的智能溫室大棚監(jiān)控功能。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、Web服務(wù)器子系統(tǒng)、外設(shè)控制子系統(tǒng)、人機(jī)接口子系統(tǒng)4個(gè)部分組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)工作流程簡述如下：通過傳感器子系統(tǒng)采集，獲得溫室中的光照、溫度、濕度等關(guān)鍵信息后處理加工，變成可以經(jīng)TCP／IP協(xié)議傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)傳輸采用監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)主動(dòng)獲取的方式，可以始終獲取，也可以在需要的時(shí)候獲取。監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)只需具備通用的IE瀏覽器，即可訪問嵌入式Web服務(wù)器的控制界面，查看每一個(gè)溫室監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對大棚電動(dòng)卷簾機(jī)、溫室電熱器、植物生長燈、微管噴滴灌等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。本文從4個(gè)部分介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，先從硬件角度構(gòu)建主要的傳感器子系統(tǒng)、Web服務(wù)器子系統(tǒng)、外設(shè)控制子系統(tǒng)，然后從軟件角度出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精簡的TCP／IP協(xié)議棧。1．1傳感器子系統(tǒng)：考慮到LM3S102接口有限，傳統(tǒng)的模擬傳感器需要A／D轉(zhuǎn)換后方可使用，不適合本系統(tǒng)。設(shè)計(jì)選用I2C接口的數(shù)字傳感器SHT10，該傳感器將外界環(huán)境的濕度、溫度信息采集以后存儲在自身內(nèi)存中，將其掛接在LM3S102處理器的I2C總線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。在后續(xù)部分可以看到，I2C總線上還掛接了用來擴(kuò)展I／O口的專用芯片。溫度與濕度傳感器電路如圖2所示。圖3是獲取外界光照條件的方案。設(shè)計(jì)選用廉價(jià)的光電管，當(dāng)光照強(qiáng)度大時(shí)，光電管導(dǎo)通電流大，從而在VIN_N端得到更低的電壓。VIN_N端和LM3S102內(nèi)置的模擬比較器相接，將采集到的數(shù)據(jù)存于RAM中，和SHT10采集到的濕度、溫度信息一起，由TCP／IP協(xié)議封裝發(fā)送。

1．2Web服務(wù)器子系統(tǒng)：為了構(gòu)建Web服務(wù)器子系統(tǒng)，必須找到合適的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)方法。如圖4所示，系統(tǒng)選用SPI接口的網(wǎng)絡(luò)芯片ENC28J60實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)MAC和PHY的功能，充分利用LM3S102的外設(shè)接口。TPOUT和TPIN端送往隔離變壓器，外接通用的RJ45網(wǎng)口。后續(xù)部分將介紹在此硬件平臺上TCP／IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。1．3外設(shè)控制子系統(tǒng)：為了實(shí)現(xiàn)對溫室自動(dòng)卷簾的遠(yuǎn)程智能升降控制，設(shè)計(jì)采用PWM控制步進(jìn)電機(jī)的方法。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制非常簡單。接口芯片MPC17529用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。在實(shí)際運(yùn)用中，可采用各種方法增大后級電路的驅(qū)動(dòng)能力，以實(shí)現(xiàn)對重型卷簾門的自如控制。圖5為電機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)方法。

由于LM3S102的I／O口有限，本設(shè)計(jì)采用I2C接口擴(kuò)展I／O口的專用芯片PCA9554。掛接在I2C總線上的該芯片可以擴(kuò)展出8路GPIO，在演示時(shí)采用用8盞LED燈來表示溫室電熱器、植物生長燈、微管噴滴灌、氣體肥料釋放機(jī)等溫室常用設(shè)備。實(shí)際應(yīng)用時(shí)加上繼電器電路以后便可以方便地實(shí)現(xiàn)對溫室中諸多科技農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。電機(jī)控制電路如圖6所示。經(jīng)過各子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，LM3S102的片上接口與片內(nèi)資源得到了充分的利用。1．4設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精簡的TCP／IP協(xié)議棧：嵌入式Web服務(wù)器運(yùn)行的目標(biāo)系統(tǒng)大多是各類專用設(shè)備，內(nèi)存資源和存儲器資源非常有限，它通常作為一種監(jiān)控、管理手段去控制和配置各種電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化和信息化。嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用系統(tǒng)框架如圖7所示。

考慮到嵌入式Web服務(wù)器的硬件處理速度慢并且存儲容量相對較小的限制，在TCP／IP協(xié)議棧中能夠?qū)崿F(xiàn)ARP、IP、TCP協(xié)議即可。采用精簡的TCP／IP協(xié)議棧，在上層實(shí)現(xiàn)了HTTP協(xié)議。包括ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片的驅(qū)動(dòng)和IP包與ARP包的相應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了基于TCP協(xié)議的HTTP包的收發(fā)，協(xié)議棧省去了作為精簡’Web服務(wù)器不需要的UDP協(xié)議和ICMP協(xié)議，并且不實(shí)現(xiàn)SOCKET函數(shù)，使得代碼空間降到最小，卻能夠完成所有需要的功能。裁剪后的嵌入式專用TCP／IP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖8所示，軟件模塊分層工作流程如圖9所示。第3章溫室大棚地?zé)峋€控制器：在北方的冬、春季節(jié)，農(nóng)戶為了增加溫室大棚內(nèi)的地溫，促進(jìn)秧苗、蔬菜的生長，通常采用鋪設(shè)地?zé)峋€來輔助增溫。電路工作原理該溫室大棚地?zé)峋€控制器電路電控制電路、工作狀態(tài)指示電路和低壓照明電路組成，如圖所示。圖溫室大棚地?zé)峋€控制器電路控制電路由刀開關(guān)Q1、熔斷器FU1、控制按鈕S1、S2、交流接觸器KM和地?zé)峋€EH組成。工作狀態(tài)指示電路由電源變壓器T1、指示燈HL1、H12和KM的控制觸點(diǎn)KM3、KM4組成.低壓照明電路由電源變壓器T1、刀開關(guān)Q2、03、熔斷器FU2、FU3和照明燈EL1～EL4組成。由于大棚、溫室內(nèi)濕度較大，為安全起見，照明供電采用36V安全電壓，且除了照明燈EL1～EL4和地?zé)峋€EH外，其余部分均安裝在大棚、溫室以外的專用配電室或休息室、值班室內(nèi)。安裝時(shí)，地?zé)峋€EH應(yīng)埋在深度為5～15cm（根據(jù)不同作物和播種育苗、成苗栽培等有所不同）的地下。當(dāng)?shù)販剌^低，需要使用加溫裝置時(shí)，先接通刀開關(guān)Q1，然后按下加溫控制按鈕S1，KM通電吸合，KM的常開觸頭KM1～KM3接通，常閉觸頭KM4斷開，地?zé)峋€EH通電工作；220V交流電壓經(jīng)”降壓后，將工作指示燈HL1點(diǎn)亮。松開S1后，KM在KM2的作用下維持吸合狀態(tài)。需要照明時(shí)，可接通Q2和Q3，220V交流電壓經(jīng)T1降壓后，將EL1～EM點(diǎn)亮。不需要加溫時(shí)，按動(dòng)停止加溫控制按鈕S2，使KM釋放，KM1～KM3觸頭斷開，KM4觸頭接通，HL1熄滅，HL2點(diǎn)亮，指示地?zé)峋€EH處于停止加溫狀態(tài)。元器件選擇T1應(yīng)根據(jù)照明燈的總功率進(jìn)行選擇，若使用4只100W、36V燈泡，可選用500W、二次電壓為36V的電源變壓器；若使用8只100W、36V燈泡，則應(yīng)選用1kW、二次電壓為36V的電源變壓器。T2選用5W、二次電壓為1O～15V的電源變壓器。地?zé)峋€EH可選用DV20410（電壓為220V、電流為2A、線長100m時(shí)功率為400W，工作時(shí)溫度為45℃）或DV21012（電壓為220V、電流為5A、線長120m時(shí)功率為1