arduino農(nóng)業(yè)智能檢測(cè)與報(bào)警裝置

溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：arduino農(nóng)業(yè)智能檢測(cè)與報(bào)警裝置學(xué)院：專業(yè)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：導(dǎo)師姓名：導(dǎo)師職稱：二○年月

arduino農(nóng)業(yè)智能檢測(cè)與報(bào)警裝置摘要：近年來(lái)我國(guó)國(guó)民物資生產(chǎn)迅猛發(fā)展、科技水平明顯提升，嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云服務(wù)器技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展愈發(fā)完備，當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越多的專家學(xué)者開(kāi)始重視以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的、融合了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的現(xiàn)代化智能農(nóng)業(yè)大棚的研究。將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志?，F(xiàn)代化的智能農(nóng)業(yè)大棚在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、科學(xué)管理農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí)也大大提升了勞動(dòng)效率，節(jié)省了許多人力物力，使得管理過(guò)程更為規(guī)范高效。然而我國(guó)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)上的研究起步較晚，研究成果與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有許多不足，諸如遠(yuǎn)程性、穩(wěn)定性較差等。因此研究設(shè)計(jì)出有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的、能夠適應(yīng)我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)狀的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)十分重要且意義深遠(yuǎn)。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)智能；檢測(cè)；報(bào)警裝置

目錄TOC\o"1-3"\h\u177081引言 5123402系統(tǒng)需求分析 5103122.1數(shù)據(jù)采集需求 568402.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求 6247862.3數(shù)據(jù)訪問(wèn)需求 6281503智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì) 7166773.1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì) 7197003.1.1數(shù)據(jù)測(cè)控模塊 8312003.1.2無(wú)線通信模塊 883873.1.3客戶端模塊 918103.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì) 9223843.2.1實(shí)時(shí)檢測(cè)功能 9245523.2.2自動(dòng)報(bào)警功能 939643.2.3自動(dòng)調(diào)控功能 9175993.2.4歷史數(shù)據(jù)分析功能 10154003.2.5終端查詢功能 1099233.3系統(tǒng)功能硬件設(shè)計(jì) 10289573.3.1數(shù)據(jù)采集模塊 12157463.3.2數(shù)據(jù)傳輸模塊 14143773.3.3大棚控制模塊 15169254系統(tǒng)功能測(cè)試及結(jié)果分析 16108074.1硬件模塊調(diào)試 16176604.2整體性能測(cè)試 1632364.3試驗(yàn)結(jié)果分析 18312845總結(jié) 1932416參考文獻(xiàn) 2031226致謝 21

1引言隨著近年來(lái)社會(huì)的飛速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的顯著提升，人們的生活水平得到明顯提高，而我國(guó)既是人口大國(guó)，也是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展成果顯著，使我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量不斷提升，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展及農(nóng)民生活水平的大幅提升做出了突出貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量及數(shù)量需求也愈來(lái)愈大，對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的要求也日趨嚴(yán)格，而這些要求，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式難以滿足，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操作模式急需創(chuàng)新變革，因而智能大棚系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)棚內(nèi)環(huán)境的調(diào)控主要通過(guò)人們手工現(xiàn)場(chǎng)采集、調(diào)控、操作棚內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。這種管理系統(tǒng)精確度較差，且存在很大的滯后性，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展將會(huì)逐漸被現(xiàn)代化的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)所取代，而智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)憑借其對(duì)棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的可檢測(cè)可調(diào)控性、方便快捷的管控功能、較高的產(chǎn)量質(zhì)量及良好的經(jīng)濟(jì)效能等優(yōu)勢(shì)在近年來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中運(yùn)用的愈發(fā)普遍。將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操作與現(xiàn)代化技術(shù)融合能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)棚內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使作物能夠擺脫自然環(huán)境變動(dòng)的束縛，在其最適宜的環(huán)境下進(jìn)行生長(zhǎng)成熟，因而智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)能夠大大提高我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，對(duì)農(nóng)業(yè)智慧化具有深刻影響。為了更方便廣泛的實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，在此將高新的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入其中，而這也能夠?yàn)槲覈?guó)智能農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考和經(jīng)驗(yàn)。2系統(tǒng)需求分析2.1數(shù)據(jù)采集需求目前人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)量的需求逐漸增大，且大棚的占地面積及規(guī)模也愈來(lái)愈大，因此在智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中采集棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，需考慮：（1）我們都知道大棚的占地面積一般較大，因此在布置各傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)需布置在大棚的多個(gè)區(qū)域，以保證所測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)信息能夠體現(xiàn)棚內(nèi)整體情況。（2）在通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，考慮到作物生長(zhǎng)最適宜的環(huán)境指標(biāo)通常為區(qū)間范圍，且這個(gè)最佳生長(zhǎng)指標(biāo)范圍在不同季節(jié)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)會(huì)有一定程度的變化，因此需結(jié)合相關(guān)實(shí)際選用測(cè)量范圍更適宜的傳感器模塊。（3）當(dāng)棚內(nèi)相關(guān)設(shè)備開(kāi)始運(yùn)作或大棚所在地天氣出現(xiàn)變化時(shí)，棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)展較為顯著的變化，但是天氣等因素的變化一般不是突發(fā)的，因而對(duì)棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)采集頻率應(yīng)設(shè)為30min左右。（4）根據(jù)前面關(guān)于本檢測(cè)系統(tǒng)的大致介紹也能了解到，本系統(tǒng)中不論是數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸，還是顯示都需要消耗能量，且這些對(duì)數(shù)據(jù)的操作都是每天進(jìn)行的、不間斷的，因此選用節(jié)能穩(wěn)定的設(shè)備模塊十分必要。2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求由前面相關(guān)介紹可知，本系統(tǒng)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集時(shí)間較長(zhǎng)、頻率較快且數(shù)據(jù)量較大，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息累積情況，因而存儲(chǔ)、管理數(shù)據(jù)時(shí)需滿足：（1）安全性。本系統(tǒng)需存儲(chǔ)的是整個(gè)大棚在過(guò)去一段時(shí)間里所測(cè)的數(shù)據(jù)信息，用于分析歷史數(shù)據(jù)及作物生長(zhǎng)情況，因此對(duì)于數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)需有較高安全性，以防數(shù)據(jù)的丟失及缺損。（2）可擴(kuò)展性。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要保證其能夠進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)增加、性能需求增加等情況出現(xiàn)時(shí)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能夠平滑擴(kuò)展。（3）易備份。數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)還需及時(shí)備份，當(dāng)本系統(tǒng)某些設(shè)備突發(fā)故障時(shí)確保數(shù)據(jù)不被丟失。（4）時(shí)效性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要目的是為了用戶能夠查看歷史情況，具有時(shí)效性的系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠根據(jù)使用者的查詢需求來(lái)調(diào)用相關(guān)時(shí)間段的數(shù)據(jù)信息。2.3數(shù)據(jù)訪問(wèn)需求在智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中，用戶能夠通過(guò)手機(jī)端或PC端對(duì)棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的查詢觀測(cè)，同時(shí)也能夠?qū)ε飪?nèi)相關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)控，以確保棚內(nèi)環(huán)境始終適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)。其中為了實(shí)現(xiàn)手機(jī)或PC端訪問(wèn)數(shù)據(jù)需滿足：（1）響應(yīng)快。之前我們對(duì)于數(shù)據(jù)采集要求實(shí)時(shí)采集且采集頻率較快，因此用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)，也應(yīng)保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。（2）兼容不同平臺(tái)。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的不僅僅是手機(jī)端的監(jiān)控功能，還要實(shí)現(xiàn)電腦端的相關(guān)功能，而手機(jī)與PC端采用的是不同的通信協(xié)議，因而本系統(tǒng)應(yīng)能夠兼容不同平臺(tái)。3智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的愈發(fā)成熟普及，這些新興技術(shù)能夠?qū)χ悄苻r(nóng)業(yè)起到科學(xué)的指導(dǎo)作用，物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)應(yīng)用到智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)典型例子就是智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在大棚內(nèi)布置安放相關(guān)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)棚內(nèi)溫濕度、光照、二氧化碳、煙霧及土壤濕度等不同環(huán)境信息情況進(jìn)行采集、處理以及分析，給棚中作物生長(zhǎng)提供科學(xué)參考依據(jù)，而后將這些環(huán)境數(shù)據(jù)信息發(fā)送到客戶端，使用戶能夠通過(guò)手機(jī)端及PC端實(shí)時(shí)觀測(cè)棚內(nèi)情況并對(duì)棚內(nèi)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié)，從而確保棚內(nèi)作物能夠一直在優(yōu)良的、適宜的生長(zhǎng)條件當(dāng)中。本章在對(duì)智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)需求分析后，提出了總體設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求及方案中硬件部分的設(shè)計(jì)。3.1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析后，本系統(tǒng)結(jié)合了一系列高新科學(xué)技術(shù)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)包含三個(gè)部分：數(shù)據(jù)測(cè)控模塊、無(wú)線通訊模塊及客戶端模塊。其總體架構(gòu)如圖3-1。圖3-1系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖3.1.1數(shù)據(jù)測(cè)控模塊本智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)測(cè)控模塊其實(shí)類似于物聯(lián)網(wǎng)感知層，如圖3-2。該模塊主要是借助安置于棚內(nèi)的諸如土壤濕度傳感器、煙霧傳感器等眾多傳感器模塊通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸及調(diào)控。在數(shù)據(jù)調(diào)控模塊還要能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的接收無(wú)線通信模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的相關(guān)指令來(lái)驅(qū)動(dòng)或關(guān)閉相關(guān)棚內(nèi)設(shè)備。圖3-2數(shù)據(jù)測(cè)控模塊架構(gòu)示意圖3.1.2無(wú)線通信模塊本系統(tǒng)中無(wú)線通信模塊類似于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，該模塊主要采用無(wú)線通訊技術(shù)及Wi-Fi技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)數(shù)據(jù)測(cè)控模塊和客戶端間的通訊交互，使用戶能夠通過(guò)連入互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)端及PC端實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理棚內(nèi)環(huán)境：其中Wi-Fi通信主要采用TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，使用戶能夠通過(guò)手機(jī)、電腦等形式查詢調(diào)控棚內(nèi)環(huán)境，大大提高了本系統(tǒng)便捷性、智能性。3.1.3客戶端模塊智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中客戶端模塊類似于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，該模塊是系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的關(guān)鍵模塊，用戶能夠在客戶端上方便快捷的查看調(diào)控棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，其中能夠查看的不僅是當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，更重要的是能夠查看服務(wù)器儲(chǔ)存顯示的歷史數(shù)據(jù)變化曲線圖。除此之外，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境不處于作物生長(zhǎng)最適宜的數(shù)據(jù)范圍時(shí)，能夠發(fā)送警報(bào)提示，并自動(dòng)驅(qū)動(dòng)或調(diào)停相應(yīng)設(shè)備來(lái)調(diào)整棚內(nèi)環(huán)境，這些設(shè)備用戶也能通過(guò)客戶端手動(dòng)調(diào)控。3.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)根據(jù)前面的介紹闡述可知，本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)調(diào)控、歷史數(shù)據(jù)分析及終端查詢功能，其中實(shí)時(shí)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)調(diào)控功能是通過(guò)系統(tǒng)下位機(jī)部分實(shí)現(xiàn)的，而歷史數(shù)據(jù)分析及終端查詢功能是通過(guò)系統(tǒng)客戶端實(shí)現(xiàn)的。3.2.1實(shí)時(shí)檢測(cè)功能實(shí)時(shí)檢測(cè)功能是本系統(tǒng)各個(gè)功能的基礎(chǔ)，顧名思義就是實(shí)時(shí)采集棚內(nèi)各環(huán)境數(shù)據(jù)，棚內(nèi)各傳感器模塊來(lái)實(shí)時(shí)采集棚內(nèi)溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、煙霧濃度及光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)信息，而后將這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)棚內(nèi)安置的ZigBee模塊來(lái)進(jìn)行傳輸。3.2.2自動(dòng)報(bào)警功能自動(dòng)報(bào)警功能是基于實(shí)時(shí)檢測(cè)功能上的，作物的生長(zhǎng)有一個(gè)最適宜的環(huán)境范圍，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)處于預(yù)設(shè)的適宜作物生長(zhǎng)的參數(shù)范圍之外時(shí)，本模塊自動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，且實(shí)時(shí)在客戶端發(fā)送警報(bào)提示，用于提醒用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常、查看棚內(nèi)情況，以保證棚內(nèi)安全及作物穩(wěn)定生長(zhǎng)。3.2.3自動(dòng)調(diào)控功能自動(dòng)調(diào)控功能在本系統(tǒng)中有著重要地位，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)處于預(yù)設(shè)的適宜作物生長(zhǎng)的參數(shù)范圍之外時(shí)，僅僅報(bào)警是不夠的，還需根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)的異常情況對(duì)棚內(nèi)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)或調(diào)停，以實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境的自動(dòng)智能調(diào)整及遠(yuǎn)程調(diào)控。大大減少了人力物力，形成一種智能、高效、精準(zhǔn)、科學(xué)的調(diào)控管理系統(tǒng)。3.2.4歷史數(shù)據(jù)分析功能智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中還具有歷史數(shù)據(jù)分析功能，該功能能夠?qū)ο到y(tǒng)中存儲(chǔ)的某段歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖顯示，用戶就可以通過(guò)這種直觀清晰的顯示數(shù)據(jù)來(lái)分析研究相關(guān)作物生長(zhǎng)情況，并能夠預(yù)測(cè)出作物生長(zhǎng)的最適宜環(huán)境參數(shù)范圍。3.2.5終端查詢功能智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的顯示能夠支持手機(jī)端以及PC客戶端，這里的數(shù)據(jù)顯示不僅僅是顯示當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)設(shè)備信息，更重要的是能夠具備歷史數(shù)據(jù)查詢功能。用戶能夠通過(guò)手機(jī)端或PC端選擇一個(gè)歷史時(shí)間段，可以是一周、一個(gè)月甚至是一年，而后系統(tǒng)客戶端能夠?qū)⑺x時(shí)間段的相應(yīng)環(huán)境數(shù)據(jù)信息以曲線圖形式顯示，方便用戶查看。與此同時(shí)，用戶也能夠通過(guò)客戶端對(duì)棚內(nèi)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，大大增強(qiáng)了本系統(tǒng)的便攜性。3.3系統(tǒng)功能硬件設(shè)計(jì)智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要可以分為硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分，本節(jié)將對(duì)硬件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行詳細(xì)闡述，具體闡述數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及設(shè)備調(diào)控模塊的相關(guān)設(shè)備選型及設(shè)計(jì)。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示。其中，關(guān)于硬件設(shè)計(jì)中相關(guān)測(cè)控程序的設(shè)計(jì)，主要運(yùn)用Keil5單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以及STM32系統(tǒng)中的蜂鳴器、按鍵、串口、ADC、TFT-LCD顯示及時(shí)鐘等部分。在本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)中，主要是讀取與STC12相連接的各傳感器模塊所測(cè)得數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸及加工處理，而后將得到的數(shù)據(jù)信息TFT-LCD上顯示，其中棚內(nèi)相關(guān)設(shè)備能夠根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)是否適宜作物生長(zhǎng)，以及用戶通過(guò)客戶端遠(yuǎn)程調(diào)控情況進(jìn)行啟動(dòng)或調(diào)停。其程序流程圖如圖3-4所示。圖3-3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖圖3-4系統(tǒng)硬件模塊程序流程圖3.3.1數(shù)據(jù)采集模塊智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集的必備條件就是棚內(nèi)相關(guān)設(shè)備能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確且長(zhǎng)時(shí)間的工作，這也要求了這些設(shè)備的功耗相較于其他設(shè)備要低。本系統(tǒng)中采集的環(huán)境數(shù)據(jù)主要為棚內(nèi)溫濕度、土壤濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度及二氧化碳濃度，而由于這些數(shù)據(jù)信息是由不同的傳感器模塊檢測(cè)的，有的為數(shù)字信號(hào)有的為模擬信號(hào)，因而需進(jìn)行適當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn)換。由上述功能描述可知，本系統(tǒng)需進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、接收、發(fā)送以及對(duì)棚內(nèi)設(shè)備的調(diào)控，所以需要運(yùn)行速度快、硬件資源多以及高性價(jià)比的STM32F103ZET6為主控芯片來(lái)滿足上述智能大棚的設(shè)計(jì)要求。而STM32價(jià)格較高且農(nóng)業(yè)大棚面積較大，棚內(nèi)各傳感器之間距離較遠(yuǎn)，僅僅使用一兩個(gè)STM32不足以采集棚內(nèi)各數(shù)據(jù)信息。因而采用價(jià)格低、速率較快的STC12C5A60S2來(lái)采集各傳感器數(shù)據(jù)。該單片機(jī)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)。該單片機(jī)與普通51單片機(jī)相比主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)為：（1）同樣的晶振下，速度相較于普通51更快更有優(yōu)勢(shì)；（2）多了兩個(gè)定時(shí)器，帶PWM功能；（3）有SPI接口及EEPROM；（4）有1K內(nèi)部擴(kuò)展RAM；（5）有WATCH_DOG；（6）10口可以定義，有四種狀態(tài)；（7）可定義四種中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)。綜合上述原因，本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2來(lái)連接各傳感器模塊采集智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的各環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)ZigBee模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)絊TM32上進(jìn)行處理并顯示在液晶屏上。（1）棚內(nèi)光照、溫濕度檢測(cè)模塊由于作物的生長(zhǎng)有其最適宜的光照強(qiáng)度和溫濕度范圍，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)抑制棚內(nèi)作物的生長(zhǎng)，因此在該模塊中設(shè)定了最適宜棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度閾值范圍以及溫濕度閾值范圍，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。本系統(tǒng)采用GY-30光照強(qiáng)度傳感器來(lái)檢測(cè)棚內(nèi)光照強(qiáng)度。為了更全面反映情況，我們共安置8個(gè)GY-30。該檢測(cè)模塊芯片為BH1750FVI，支持3-5V，支持光照范圍0-655351x，且內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換，能夠不用通過(guò)復(fù)雜換算來(lái)直接輸出數(shù)字信號(hào)，與此同時(shí)，該檢測(cè)模塊不區(qū)分環(huán)境光源且接近于視覺(jué)靈敏度的分光特性可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行高精度測(cè)定。電路圖如圖3.5所示。當(dāng)檢測(cè)到的光照強(qiáng)度高于所設(shè)閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的步距角來(lái)放下遮光板，該模塊步進(jìn)電機(jī)外加電源和驅(qū)動(dòng)器，電路圖如圖3-5所示。相應(yīng)的，光照強(qiáng)度低于閾值時(shí)則自動(dòng)開(kāi)補(bǔ)光燈來(lái)增強(qiáng)光照。這里的補(bǔ)光燈用的是全光譜LED植物生長(zhǎng)燈，并加入了繼電器模塊，控制系統(tǒng)即可根據(jù)指令控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光燈的亮滅。圖3-5光照傳感器電路圖圖3-6歩進(jìn)電機(jī)電路圖與此同時(shí)，本系統(tǒng)采用含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11溫濕度傳感器來(lái)測(cè)量棚內(nèi)溫濕度，該模塊測(cè)量范圍廣、精度高、可靠性高且能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的檢測(cè)數(shù)據(jù)，節(jié)能性價(jià)比高。3.3.2數(shù)據(jù)傳輸模塊由于農(nóng)業(yè)大棚一般面積較大，導(dǎo)致各傳感器之間距離較遠(yuǎn)，在此采用ZigBee模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。ZigBee組網(wǎng)能力十分強(qiáng)大且功耗很低，本設(shè)計(jì)采用以CC2530為芯片的DL-LN33模塊，其成本低且集成度高，可視距離通信單跳70m，工作時(shí)會(huì)與周?chē)K自動(dòng)組成一個(gè)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)，能夠較好的滿足農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)距離傳輸要求。該模塊主要特點(diǎn)為：（1）自動(dòng)組網(wǎng)：DL-LN33模塊在上電后會(huì)自動(dòng)與附近模塊進(jìn)行信息交互并自動(dòng)組網(wǎng)，且ID及信道不同的節(jié)點(diǎn)不會(huì)互組，因而保證了不同系統(tǒng)間各模塊不會(huì)互相干擾。（2）自動(dòng)多跳：DL-LN33模塊能夠自動(dòng)搜尋附近節(jié)點(diǎn)來(lái)“自動(dòng)多跳傳輸”以突破其自身通信距離的限制，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸。（3）通信穩(wěn)定：DL-LN33模塊會(huì)自動(dòng)校檢所接收數(shù)據(jù)，并在收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或未收到數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳操作。（4）多對(duì)多mesh通信：DL-LN33模塊突破了傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊匯聚節(jié)點(diǎn)的模式，能夠?qū)崿F(xiàn)任意節(jié)點(diǎn)間的通訊。（5）無(wú)控制中心：DL-LN33模塊是與附近信息交互的，擺脫了高負(fù)載協(xié)調(diào)器的桎梏，且安全穩(wěn)定性也更高。因此本系統(tǒng)選用具有自組網(wǎng)、功耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)的DL-LN33模塊，該模塊組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)。該模塊實(shí)物圖如圖3-7所示圖3-7ZigBee模塊實(shí)物圖通過(guò)ZigBee模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，首先需要對(duì)各個(gè)ZigBee模塊參數(shù)進(jìn)行配置，包括地址、網(wǎng)絡(luò)ID、信道及波特率。而后STM32根據(jù)接收數(shù)據(jù)包的地址判斷數(shù)據(jù)信息是來(lái)自于哪種傳感器模塊，并顯示。3.3.3大棚控制模塊在本模塊中主要根據(jù)客戶端發(fā)過(guò)來(lái)的指令信息來(lái)完成對(duì)相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和控制，主要包括灌溉水泵、大棚遮光板、通風(fēng)風(fēng)扇、補(bǔ)光燈等設(shè)備。由前文介紹可知，灌溉水泵、通風(fēng)風(fēng)扇及補(bǔ)光燈模塊是通過(guò)繼電器模塊來(lái)進(jìn)行控制，大棚遮光板是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制的。STM32作為系統(tǒng)的核心控制器，每當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)信息在所設(shè)閾值范圍之外時(shí)，也就是棚內(nèi)環(huán)境不適宜作物生長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)對(duì)相應(yīng)模塊發(fā)送相應(yīng)指令，通過(guò)控制相應(yīng)引腳的高低電平來(lái)操控步進(jìn)電機(jī)或相應(yīng)繼電器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)水泵、遮光板、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈等設(shè)備的間接調(diào)控，而這也是本系統(tǒng)對(duì)于作物生長(zhǎng)環(huán)境的自動(dòng)調(diào)控。其中STM32不僅會(huì)接收來(lái)自棚內(nèi)傳感器模塊通過(guò)ZigBee傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，也會(huì)接收來(lái)自客戶端模塊通過(guò)Wi-Fi模塊傳輸過(guò)來(lái)的控制指令，來(lái)對(duì)棚內(nèi)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行人為調(diào)控。4系統(tǒng)功能測(cè)試及結(jié)果分析4.1硬件模塊調(diào)試將各個(gè)傳感器模塊以及無(wú)線傳輸模塊合理放置于模擬大棚模型中，用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)模塊是否會(huì)出現(xiàn)上電危險(xiǎn)，檢查無(wú)誤后上電，再對(duì)各個(gè)模塊芯片進(jìn)行檢查，查看是否出現(xiàn)芯片過(guò)熱情況，若出現(xiàn)該情況，及時(shí)斷電。經(jīng)檢查，本系統(tǒng)線路無(wú)任何問(wèn)題，上電后，系統(tǒng)各個(gè)傳感器模塊以及無(wú)線傳輸模塊指示燈均正常亮起，無(wú)異常情況。實(shí)物圖如圖4-1所示。圖4-1棚硬件模擬調(diào)試4.2整體性能測(cè)試通過(guò)之前在模擬大棚內(nèi)的相關(guān)測(cè)試可得出本智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中的硬件模塊、軟件模塊數(shù)據(jù)的采集、傳輸及顯示均能正常工作，現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)整體性能進(jìn)行調(diào)試。我們已經(jīng)在試驗(yàn)大棚中搭建好了本系統(tǒng)，包括各個(gè)硬件傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊等，并固定好控制電路，上電后系統(tǒng)中每個(gè)模塊指示燈均正常亮起，說(shuō)明各個(gè)模塊均正常工作，而后進(jìn)行整體性能測(cè)試。其中本系統(tǒng)在搭建好所有傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊等模塊后，數(shù)據(jù)仍能夠穩(wěn)定持續(xù)傳輸，且手機(jī)端數(shù)據(jù)顯示仍能夠按時(shí)更新，可得出本系統(tǒng)軟硬件負(fù)載能力較好，實(shí)用性較強(qiáng)。圖4-2試驗(yàn)大棚整體實(shí)物圖上述的幾個(gè)測(cè)試方面均是對(duì)本實(shí)驗(yàn)大棚遇到極端環(huán)境情況或是棚內(nèi)環(huán)境不適宜作物生長(zhǎng)時(shí)的測(cè)試，以此觀測(cè)出本系統(tǒng)能否在不適宜作物生長(zhǎng)的環(huán)境下及時(shí)發(fā)出警報(bào)以及進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得使用者能夠在第一時(shí)間了解情況，系統(tǒng)也能夠及時(shí)的自動(dòng)的通過(guò)相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制來(lái)對(duì)棚內(nèi)相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定在一個(gè)最適宜作物生長(zhǎng)的范圍區(qū)間內(nèi)。進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為了模擬這些不適宜作物生長(zhǎng)的環(huán)境情況，我們首先在大棚內(nèi)加熱，來(lái)使得棚內(nèi)濕度、煙霧等其他環(huán)境因素不變，溫度升高，直至到所設(shè)閾值范圍外，此時(shí)棚內(nèi)蜂鳴器工作發(fā)聲開(kāi)始報(bào)警，用戶Android手機(jī)APP也接收到警報(bào)通知，與此同時(shí)棚內(nèi)通風(fēng)風(fēng)扇自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)降溫操作。我們將土壤濕度傳感器模塊放入準(zhǔn)備的干涸土壤中，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境數(shù)據(jù)不適宜作物時(shí)，棚內(nèi)水泵自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行澆水灌溉操作。用強(qiáng)光照射棚內(nèi)光照強(qiáng)度傳感器時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到光照強(qiáng)度過(guò)高，此時(shí)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)啟遮陽(yáng)板；用黑布蒙住該傳感器時(shí)，檢測(cè)到光照強(qiáng)度過(guò)低，開(kāi)啟補(bǔ)光燈。在棚內(nèi)煙霧傳感器下方點(diǎn)燃少量干草，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到煙霧濃度過(guò)高，有火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)，水泵工作進(jìn)行澆水滅火。在棚內(nèi)放置專用的掛袋式CO2緩釋劑來(lái)增加棚內(nèi)的二氧化碳濃度，當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)，通風(fēng)風(fēng)扇自動(dòng)開(kāi)啟，以此降低CO2濃度。上述所有的不適宜作物生長(zhǎng)的情況發(fā)生時(shí)，即系統(tǒng)檢測(cè)到棚內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)、土壤濕度過(guò)低時(shí)、光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱時(shí)、煙霧濃度過(guò)高時(shí)以及二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)棚內(nèi)蜂鳴器工作發(fā)聲開(kāi)始報(bào)警，用戶Android手機(jī)APP接收到警報(bào)通知，使得用戶能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的了解到棚內(nèi)相關(guān)緊急情況。相關(guān)試驗(yàn)情況如圖所示：圖4-3棚內(nèi)相關(guān)傳感器部分實(shí)物圖4.3試驗(yàn)結(jié)果分析本智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)主要功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及控制其處于穩(wěn)定狀態(tài)，并在發(fā)生情況時(shí)及時(shí)提示用戶，以便用戶能夠及時(shí)觀察棚內(nèi)情況，實(shí)現(xiàn)了大棚的智能化、自動(dòng)化以及可管理化，大大提高了人們農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了一系列的軟硬件以及整體性能測(cè)試后，將所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn)誤差較小，其中只有一路溫濕度傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差較大，經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)是傳感器自身硬件問(wèn)題，更換后問(wèn)題解決，并且在測(cè)試當(dāng)天天氣發(fā)生變化，開(kāi)始下雨，棚內(nèi)溫濕度發(fā)生明顯變化。經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，系統(tǒng)整體誤差控制在允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸以及設(shè)備控制的實(shí)時(shí)性以及遠(yuǎn)程性較好，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的反應(yīng)靈敏，達(dá)到了本設(shè)計(jì)的要求?？偟目磥?lái)，本系統(tǒng)中硬件模塊、無(wú)線傳輸模塊、云服務(wù)器以及軟件上位機(jī)部分間的數(shù)據(jù)信息以及設(shè)備控制指令的接收傳遞安全可靠、方便智能。本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚中生產(chǎn)效率低、設(shè)備成本高等缺陷，操作簡(jiǎn)易，可靠性以及實(shí)用性高。5總結(jié)本智能農(nóng)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)重要性以及創(chuàng)新性不言而喻，為了實(shí)現(xiàn)作物在一個(gè)適宜的環(huán)境中優(yōu)良的成長(zhǎng)，本系統(tǒng)結(jié)合了許多新興的現(xiàn)代化技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及IT互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，通過(guò)對(duì)這些高新技術(shù)的集合，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自動(dòng)化、智能化的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。使得人們不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息情況，還能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，保證了作物生長(zhǎng)安全高效，大大減少了人力的支出。本系統(tǒng)通過(guò)與STC12相連接的各個(gè)傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集，而后將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)CC2530傳輸至STM32處理器上進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，并將其在LCD上顯示出來(lái)。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)信息通過(guò)ESP826發(fā)送至阿里云服務(wù)器，手機(jī)端及PC端與云服務(wù)器連接后就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的查看、歷史數(shù)據(jù)信息的曲線查詢及曲線圖顯示和棚內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以調(diào)節(jié)棚內(nèi)環(huán)境情況。本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：采用STM32為主控制器，功耗低、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理速度快且抗干擾能力強(qiáng)；模塊化的設(shè)計(jì)棚內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)大大弱化了模塊間干擾并且提升了系統(tǒng)安全性；使用ZigBee以及Wi-Fi等無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊大大提升優(yōu)化了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程性，使得用戶對(duì)棚內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控更為方便智能。并創(chuàng)造性的采用阿里云服務(wù)器平臺(tái)將下位機(jī)部分與手機(jī)、電腦實(shí)時(shí)連接起來(lái)，使得系統(tǒng)遠(yuǎn)程性、實(shí)時(shí)性等更為突出，且所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息能夠與使用者手動(dòng)測(cè)量的作物生長(zhǎng)情況相結(jié)合，使用者能夠觀察并記錄不同作物最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境信息。

參考文獻(xiàn)