基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)——08電科

1、德州學(xué)院 物理系 2012屆 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉娟（德州學(xué)院物理系，山東德州253023）摘 要 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)以at89s52單片機(jī)為核心，采用加熱爐和風(fēng)機(jī)、噴灌和滲灌、熒光燈，分別為溫室大棚進(jìn)行加熱、增加二氧化碳濃度、增加空氣濕度、灌溉、人工補(bǔ)光；使用sht10數(shù)字式溫濕度傳感器、fds-100型土壤水分傳感器、sh-300-dh二氧化碳傳感器和tsl2561光強(qiáng)傳感器，將采集的大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)信息在液晶1602上顯示出來，并通過無線通信模塊nrf905將信號傳到從機(jī)。主機(jī)完成各項(xiàng)數(shù)值預(yù)制和報(bào)警電路模塊功能，從機(jī)完成采集數(shù)

2、值的顯示及加熱爐和風(fēng)機(jī)、噴灌和滲灌和熒光燈的控制功能。本文設(shè)計(jì)的溫室大棚控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集控制溫室內(nèi)的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，以直觀的數(shù)據(jù)顯示給用戶，并可以根據(jù)種植作物的需求提供報(bào)警信息。關(guān)鍵詞 at89s52；傳感器；nrf9051 緒論 隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)不再滿足于人一與人之間的通信方式以及需要人參與交互的通信方式，一種更加智能、更加便捷的通信方式為人們所期待。物聯(lián)網(wǎng)-一種物體、機(jī)器間不需要人的參與即可完成信息交互的通信方式(internet of things)便應(yīng)運(yùn)而生1。簡單的說，物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，在整個信息采集、傳遞、計(jì)算的過

3、程中無需人的參與交互。物聯(lián)網(wǎng)是基于傳感器技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一張張功能各異的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集與作物生產(chǎn)有關(guān)的各種生產(chǎn)信息和環(huán)境參數(shù)，可以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題，準(zhǔn)確地捕捉發(fā)生問題的位置，對耕作、播種、施肥、灌溉等田間作業(yè)進(jìn)行數(shù)字化控制，使農(nóng)業(yè)投入品的資源利用精準(zhǔn)化、效率最大化2。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信形成的一個多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)，其主要目的是采集與處理該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的信息3。無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的一個重要應(yīng)用是在溫室等農(nóng)業(yè)設(shè)施中，采用不同的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對土壤水分，空氣溫濕度和光照強(qiáng)度，二氧化碳濃度

4、等影響作物生長的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)將室內(nèi)水、肥、氣、光、熱等植物生長所必需的條件控制到最佳狀態(tài)，保證作物的增產(chǎn)增收。 根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的研究結(jié)果表明，建立溫室可以建立適合植物生長的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)、高效。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中，從作物播種、生長，到收獲、加工及檢測分析整個過程中都離不開傳感器的應(yīng)用，幾乎覆蓋了農(nóng)業(yè)工程的全部范圍，有力地支撐了智能農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系?；谝陨险J(rèn)識，本論文設(shè)計(jì)出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)。2 系統(tǒng)方案與論證 為了能夠設(shè)計(jì)出一種成本低廉，精確度較高，連接簡單的溫室大棚控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)給出了三種方案。2.1 方案論述 方案一：本溫

5、室大棚控制系統(tǒng)以at89s52單片機(jī)為核心，采用加熱爐和風(fēng)機(jī)、噴灌和滲灌和熒光燈，分別為溫室大棚進(jìn)行加熱、增加空氣濕度、灌溉、增加二氧化碳濃度、人工補(bǔ)光；采用sht10數(shù)字式溫濕度傳感器、fds-100型土壤水分傳感器、sh-300-dh二氧化碳傳感器和tsl2561光強(qiáng)傳感器分別檢測溫室大棚的空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照度。數(shù)據(jù)采集部分使用at89s52單片機(jī)，將隨被測各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，將被測各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示出來。主機(jī)將采集到數(shù)值在液晶1602上顯示出來，并通過無線通信模塊nrf905將信號傳到從機(jī)。此外，主機(jī)完成各項(xiàng)數(shù)值預(yù)制和報(bào)警電路模

6、塊功能，從機(jī)完成采集數(shù)值的顯示及加熱爐和風(fēng)機(jī)、噴灌和滲灌和熒光燈的控制功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖2.1所示。從機(jī)at89s52 無線通信模塊主機(jī)at89s52空氣溫濕度傳感器加熱系統(tǒng)信號放大電路土壤水分傳感器通風(fēng)系統(tǒng)lcd顯示系統(tǒng)二氧化碳傳感器滲灌系統(tǒng)補(bǔ)光系統(tǒng)光強(qiáng)傳感器報(bào)警系統(tǒng)上位機(jī)max485 圖2.1 系統(tǒng)框圖方案二：本溫室大棚控制系統(tǒng)采用msp430為主控制器用來總體協(xié)調(diào)控制整個系統(tǒng)，對內(nèi)部a/d采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與內(nèi)部設(shè)定的數(shù)據(jù)庫比較，根據(jù)設(shè)定的各參數(shù)發(fā)出指令控制采光、照明、二氧化碳添加、噴淋子系統(tǒng)，來改變大棚內(nèi)部的環(huán)境，利用msp430來驅(qū)動液晶屏，實(shí)時地顯示大棚內(nèi)外的各環(huán)境參

7、數(shù)。本系統(tǒng)采用兩塊 tmp275 溫度傳感器，來采集大棚內(nèi)外的溫度值。濕度和光強(qiáng)利用 msp430內(nèi)部a/d 通過 p6.0p6.3 的4個端口進(jìn)行多通道序列采集。采用tgs4160固態(tài)電化學(xué)型二氧化碳傳感器檢測溫室大棚中二氧化碳的濃度。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)見圖2.2。msp430主控制器液晶屏動態(tài)顯示溫度傳感器風(fēng)扇濕度傳感器噴淋子系統(tǒng)二氧化碳傳感器采光子系統(tǒng)照明子系統(tǒng)光敏傳感器二氧化碳添加子系統(tǒng)鍵盤輸入 圖2.2 系統(tǒng)框圖方案三：本溫室大棚控制系統(tǒng)的核心采用at89c51單片機(jī)；溫度傳感器采用改進(jìn)型智能傳感器ds18b20；智能濕度傳感器采用sht11；光照度傳感器采用gzd-01型光照度感應(yīng)探頭

8、；co2傳感器選用紅外線氣敏傳感器。a/d轉(zhuǎn)換模塊采用逐次漸近型8路a/d轉(zhuǎn)換器adc0809，利用at89c51單片機(jī)的串行i/o口，采用了專用電平轉(zhuǎn)換芯片max232，把ttl電平轉(zhuǎn)換成rs232電平，將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)( pc機(jī))，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲。采用液晶顯示器(lcd)進(jìn)行實(shí)時顯示，系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。lcd顯示溫度傳感器at89c51單片機(jī)二氧化碳傳感器鍵盤電路tc35i模塊數(shù)據(jù)存儲光照傳感器a/d變換濕度傳感器 圖2.3 系統(tǒng)框圖2.2 方案比較方案一使用的控制器為at89s52單片機(jī)，方案二使用的控制器為msp430單片機(jī)，方案三使用的控制器為at89c51單片機(jī)，沒有數(shù)據(jù)存儲

9、功能。與方案二和方案三的單片機(jī)相比較，at89s52單片機(jī)功耗低，性能高而且成本不高，并且完全能夠滿足本方案的需求。方案一使用sht10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測溫室大棚中空氣的溫濕度，方案二選擇兩塊tmp275溫度傳感器，來采集大棚內(nèi)外的溫度值，方案三選擇溫度傳感器ds18b20采集大棚內(nèi)的溫度。與方案二和方案三的溫度傳感器相比sht10數(shù)字式溫濕度傳感器不需外圍元件，直接輸出經(jīng)過標(biāo)定了的相對濕度、溫度的數(shù)字信號，無需經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換，連接簡單，可以有效地解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。方案一使用fds-100型土壤水分傳感器檢測土壤中水分的含量，方案二的濕度和光強(qiáng)利用msp430內(nèi)部a/d通過p6

10、.0p6.3的4個端口進(jìn)行多通道序列采集，方案三濕度傳感器sht11測量濕度。與方案二和方案三相比較，方案一的fds-100型土壤水分傳感器是專業(yè)檢測土壤水分的傳感器，檢測精度高，能直接穩(wěn)定地反應(yīng)各種土壤的真實(shí)水分含量，密封性好，可長期埋入土壤中使用，且不受腐蝕。方案一使用sh-300-dh二氧化碳傳感器檢測溫室大棚中二氧化碳的含量，方案二使用tgs4160固態(tài)電化學(xué)型二氧化碳傳感器檢測溫室大棚中二氧化碳的濃度，但tgs4160的預(yù)熱時間較長，一般約為2小時，方案三選用紅外線氣敏傳感器檢測二氧化碳濃度。與方案二和方案三相比較，sh-300-dh二氧化碳傳感器具有對二氧化碳靈敏度高、受溫濕度環(huán)境

11、影響小、穩(wěn)定性好、使用方便、成本低等特點(diǎn)。方案一使用tsl2561光強(qiáng)傳感器變送器檢測溫室大棚內(nèi)的光強(qiáng)照度，方案二的濕度和光強(qiáng)利用 msp430內(nèi)部a/d通過p6.0p6.3的4個端口進(jìn)行多通道序列采集，方案三使用gzd-01型光照度感應(yīng)探頭。與方案二與方案三相比較，方案一的tsl2561光強(qiáng)傳感器采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器，體積小、安裝方便、線性度好、傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)。綜上所述，根據(jù)對三種方案的比較以及對設(shè)計(jì)的溫室大棚控制系統(tǒng)成本低廉，精確度較高，連接簡單的要求，選擇方案一來設(shè)計(jì)本溫室大棚控制系統(tǒng)。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)溫室大棚控制系統(tǒng)硬件部分主要由控制器模塊，電源電路模塊，空氣溫濕

12、度測量電路模塊，土壤濕度測量電路模塊，光強(qiáng)測量電路模塊、二氧化碳濃度測量電路模塊，顯示電路模塊，報(bào)警電路模塊、通信電路模塊、控制電路模塊組成。3.1 控制器模塊本設(shè)計(jì)的控制器模塊選用at89s52，它是一種低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash存儲器。使用atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 (1) 標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)flash，256字節(jié)

13、ram，32位i/o口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路4。另外，at89s52可降至0hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計(jì)數(shù)器、串口中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 (2) 在外部結(jié)構(gòu)上，at89s52單片機(jī)和mcs-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)相同，有三種封裝形式，分別是pdip形式，為40針腳； plcc形式，為44針腳；tafp形式，也為44針腳5。其中，常用的為pdip形式，

14、如圖3.1所示。圖3.1 at89s52的引腳圖3.2 空氣溫濕度測量電路模塊 本設(shè)計(jì)選擇sht10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測溫室大棚中空氣的溫濕度。sht10數(shù)字式溫濕度傳感器是由sensirion公司推出的一種可以同時測量濕度、溫度的傳感器，不需外圍元件直接輸出經(jīng)過標(biāo)定了的相對濕度、溫度的數(shù)字信號，可以有效地解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。其特點(diǎn)：溫濕度傳感器、信號放大、a/d轉(zhuǎn)換、i2c總線接口全部集成于一個芯片上(cmosens技術(shù))；全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出；具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能；免外圍元件；卓越的長期穩(wěn)定性；測量精度高，濕度的精度為±3. 5，溫度的精度為±0.

15、 5(在20時)；可靠的crc數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能；片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)，保證100%的互換性；電源電壓為2. 45. 5v6。引腳功能：1（gnd）：接地；2（data）與3（sck）：串行數(shù)字接口，其中data為數(shù)據(jù)線；4（vdd）：接電源。 如圖3.2所示，sht10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測溫室大棚中空氣的溫濕度，并將檢測到的信號傳送給單片機(jī)的p0口，讓單片機(jī)處理。圖3.2 sht10數(shù)字式溫濕度傳感器連接電路圖3.3 土壤濕度測量電路模塊本設(shè)計(jì)選擇fds-100型土壤水分傳感器檢測土壤中水分的含量。fds-100型土壤水分傳感器引腳功能7如下： 紅線（vdd）：5-12 v電源輸入 黃線(v

16、-out)：電壓輸出01.875v dc 黑線(gnd)：地線 功能及特點(diǎn)：(1) 本傳感器體積小巧化設(shè)計(jì)，攜帶方便，安裝、操作及維護(hù)簡單。(2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不繡鋼探針保證使用壽命。(3) 外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕。(4) 土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛。(5) 測量精度高，性能可靠，確保正常工作。(6) 響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。 fds-100型土壤水分傳感器經(jīng)過lm358經(jīng)信號放大輸送至單片機(jī)p0口，電路如圖3.3所示。圖3.3 fds-100型土壤水分傳感器連接電路圖3.4 光強(qiáng)測量電路模塊本設(shè)計(jì)選擇tsl2561光強(qiáng)傳感器檢測溫室大棚的光

17、照度。 各引腳的功能8如下： 腳1和腳3分別是電源引腳和信號地。其工作電壓工作范圍是是2.7v-3.5v。腳2，器件訪問地址選擇引腳。由于該引腳電平不同，該器件有3個不同的訪問地址。 腳4和腳6，總線的時鐘信號線和數(shù)據(jù)線。腳5中斷信號輸出引腳。當(dāng)光強(qiáng)度超過用戶編程設(shè)置的上或下閾值時 器件會輸出一個中斷信號。tsl2561光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)p0相接，電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4 tsl2561光強(qiáng)傳感器連接電路圖3.5 二氧化碳測量電路模塊 本設(shè)計(jì)采用sh-300-dh二氧化碳檢測模塊檢測大棚內(nèi)的二氧化碳濃度。該模塊主要應(yīng)用于co2含量的檢測，具有體積小，反應(yīng)靈敏，檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)

18、。 其主要性能參數(shù)9如下所示: (1)檢測范圍：0-3000ppm； (2)精度：0-3000ppm，10-50； (3)響應(yīng)時間：小于30秒(0-80%)，數(shù)據(jù)更新時間:2秒； (4)預(yù)熱；<90秒(25)； (5)輸出：模擬：0-3v； 數(shù)字uart：默認(rèn)波特率9600bps； (6)輸入電壓：dc7v-12v； 該模塊具有模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩種方式，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的是數(shù)字通信方式，該傳感器的數(shù)字輸出腳直連到單片機(jī)的rxd管腳上。電路圖如圖3.5所示。圖3.5 sh-300-dh二氧化碳傳感器連接電路 3.6 顯示電路模塊 本設(shè)計(jì)采用lcd1602作為輸出器件，其特點(diǎn)如下：

19、(1)顯示質(zhì)量高：由于lcd每一個點(diǎn)在收到信息后就一直保持那中色彩和亮度， 恒定發(fā)光，不需要不斷的刷新亮點(diǎn)，因此畫質(zhì)高且不會閃爍。 (2)數(shù)字式接口，與單片機(jī)系統(tǒng)的接口簡單，操作更方便。 (3)體積小，質(zhì)量輕。(4)功耗低，耗電量比其他顯示器件小得多。電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6 lcd1602顯示電路圖3.7 報(bào)警電路模塊本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了報(bào)警電路模塊，由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機(jī)i/o口輸出信號控制晶體管的導(dǎo)通或截止，晶體管導(dǎo)通，則蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)某個監(jiān)控參數(shù)長時間(具體時間由程序設(shè)定)超出其合理的上下限范圍時，報(bào)警系統(tǒng)啟動。它與單片機(jī)的連接電路如圖3.7所示。圖3.7 報(bào)警電路3.8

20、 通信電路模塊本系統(tǒng)的通信電路模塊分為主機(jī)與從機(jī)之間的無線通信和單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口通信。主機(jī)與從機(jī)之間的無線通信主要是主機(jī)把采集到的空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度以及光強(qiáng)照度的數(shù)據(jù)通過一對配置的nrf905無線收發(fā)模塊發(fā)送到從機(jī)，從機(jī)接收數(shù)據(jù)并控制加熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)以及報(bào)警子系統(tǒng)的運(yùn)行。nrf905是挪威nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為 1.93.6v，32引腳qfn封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915mhz3個ism頻道。nrf905可以自動完成處理字頭和cr (循環(huán)冗余碼校驗(yàn))的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編

21、碼/解碼，使用spi接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以- 10dbm的輸出功率發(fā)射時電流只有11ma，在接收模式時電流為12.5ma10。單片機(jī)由i/o端口控制nrf905模塊的狀態(tài)接口、模式接口和spi 接口。nrf905詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖3.8所示。3.8 nrf905結(jié)構(gòu)圖主機(jī)與從機(jī)之間的通信通過無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)。以at89s52單片機(jī)為微控制器，與設(shè)計(jì)好的nrf905無線收發(fā)模塊相連接，具備數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的功能。連接電路由一對配置nrf905模塊構(gòu)成，其中一端作為發(fā)送端，另一端作為接收端。主機(jī)與從機(jī)之間無線通信連接電路圖見附錄1。 本系統(tǒng)的單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口通訊采

22、用符合rs-485電氣標(biāo)準(zhǔn)的max485芯片。rs-485標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)：采用差動發(fā)送/接收，共模抑制比高，抗干擾能力強(qiáng)；傳輸速率高，它允許的最大傳輸速率可達(dá)10mb/s(傳送15m)；傳送距離遠(yuǎn)，采用雙絞線，在不用modem的情況下，當(dāng)以100kb/s的傳輸速率時，可傳送的距離為1.2km；能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，rs-485允許平衡電纜上連接32個發(fā)送器/接收器對。它非常適合溫室大棚規(guī)模擴(kuò)大時的測控系統(tǒng)的擴(kuò)展。單片機(jī)和上位機(jī)之間的通信必須用rs232/rs485轉(zhuǎn)換器em485b將電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。max-485與單片機(jī)連接電路，如圖3.9所示。圖3.9 單片機(jī)與上位機(jī)通信電路圖3.9 控制電路模

23、塊本設(shè)計(jì)的控制電路模塊選用繼電器作為控制系統(tǒng)的開關(guān)。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。如圖3.10所示，從機(jī)從主機(jī)接受指令控制繼電器的開關(guān)，從而使各類執(zhí)行器件起到對溫室環(huán)境調(diào)節(jié)的作用。圖3.10 繼電器控制電路3.10 電源電路模塊本設(shè)計(jì)中用到3種電源，分別為-5v、+5v、12v。如圖3.11所示，220v交流電經(jīng)變壓器降壓、橋式整流、電容濾波后由7905、7805、7812三端集成穩(wěn)壓管分別得到-5v、+5v

24、、12v電壓，為整個系統(tǒng)供電。圖3.11 電源電路圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照度等數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和農(nóng)作物的生長特點(diǎn)，本系統(tǒng)對溫室的空氣溫度、光照度進(jìn)行pid算法控制。兩者的數(shù)據(jù)先被傳感器采集，經(jīng)過信號處理，存入at89s52的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過pid算法得到控制量并由單片機(jī)輸出去控制加熱爐、補(bǔ)光光源。4.1 pid控制算法原理控制器本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計(jì)的簡單控制算法。常規(guī)的控制系統(tǒng)主要由控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量

25、，對被控對象進(jìn)行控制，故稱控制器。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，pid控制器的輸出u(t)與輸入e(t)之間成比例、積分、微分的關(guān)系。即 (4.1)寫成傳遞函數(shù)的形式 (4.2)pid控制器各個參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能有不同的影響11。a 比例作用比例作用的引入是為了及時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。(1) 對動態(tài)特性的影響比例控制參數(shù)kc凡加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，kc偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)kc太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定，若kc太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。(2)對穩(wěn)態(tài)特性的影響加大比例系數(shù)kc，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差e

26、ss，提高控制精度，但是加大kc只是減少ess，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。在pid控制的閉環(huán)系統(tǒng)中，對于設(shè)定值的變化和外擾的響應(yīng)是不同的，在工程應(yīng)用上對兩者的性能要求也有所不同，對設(shè)定值的變化一般要求滿足一定的前提條件，如無超調(diào)下的快速跟蹤對外擾則希望閉環(huán)系統(tǒng)在具有一定衰減比的情況下快速克服。b 積分作用積分作用的引入，主要是為了保證被控量在穩(wěn)態(tài)時對設(shè)定值的無靜差跟蹤，它對系統(tǒng)的性能影響可以體現(xiàn)在以下兩方面：(1) 對動態(tài)特性的影響積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。如果積分時間ti太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定，ti偏小，振蕩次數(shù)較多；如果ti太大，對系統(tǒng)性能的影響減少，當(dāng)ti合適時，過渡特性比較理想。(2)

27、對穩(wěn)態(tài)特性的影響積分作用能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是ti太大時，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。c 微分作用微分作用通常與比例作用或積分作用聯(lián)合作用，構(gòu)成pd控制或者pid控制。微分作用的引入，主要是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性，如使超調(diào)量較小，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當(dāng)微分時間td偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長；當(dāng)td偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長只有合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。直觀地分析，假設(shè)被控對象存在一定的慣性，微分作用將使得控制作用與被控量，與偏差量未來變化趨勢之間形成近似的比例關(guān)系。從頻域分析的角

28、度講，微分作用等效于一個高通濾波器，即有可能在控制輸出中引入較強(qiáng)的高頻噪聲，這是實(shí)際控制所不希望的。在現(xiàn)代由于計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，用軟件實(shí)現(xiàn)pid控制算法，而且可以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使pid控制更加靈活。計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)pid控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計(jì)算機(jī)pid控制中，使用的是數(shù)字pid控制器。目前有位置式pid控制算法以及增量式pid控制算法12。 本系統(tǒng)采用了增量數(shù)字化pid算法。增量式控制器是指控制器每次輸出的只是控制量的增量，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如步進(jìn)電機(jī)，需

29、要的是增量而不是位置量的絕對數(shù)值時，就可以使用增量式pid控制器進(jìn)行控制13。增量，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時，應(yīng)采用增量式pid控制。根據(jù)遞推原理可得 (4.3)用式(4.3)減式(4.4)，可得增量式pid控制算法 (4.4)式(4.5)稱為增量式pid控制算法，將其進(jìn)一步可改寫為 (4.5)式中，增量式控制雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來了不少的優(yōu)點(diǎn)14：(1) 由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。(2) 手動/自動切換時沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值。(3) 算式中

30、不需要累加。控制增量u(k)的確定，僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。但是增量式控制也有其不足之處15：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置式控制算法，而在以步進(jìn)電動機(jī)或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。 4.2 系統(tǒng)下位機(jī)主程序流程圖設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件下位機(jī)程序主要由下位機(jī)各數(shù)據(jù)測控、上位機(jī)與下位機(jī)通訊、報(bào)警等程序組成。下位機(jī)主程序流程圖，如圖4.1所示。傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲入單片機(jī)，單片機(jī)初始化，開始比較采集的空氣溫濕度是否在測量范圍內(nèi)，

31、如果在測量范圍內(nèi)，則比較采集到的土壤濕度是否在測量范圍內(nèi)，否則進(jìn)入空氣溫度調(diào)整子程序，控制加熱爐加熱或者通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)以升高或降低空氣溫濕度，然后比較采集到的土壤濕度是否在測量范圍內(nèi)，以此類推，當(dāng)比較完采集到的二氧化碳濃度后進(jìn)入下一個循環(huán)重新開始比較空氣溫濕度。開始系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)定空氣溫濕度測量空氣溫度是否在測量范圍內(nèi)n y空氣濕度測量空氣溫度調(diào)整子程序 空氣濕度是否在測量范圍內(nèi)n空氣濕度調(diào)整子程序 y土壤濕度測量土壤濕度是否在測量范圍內(nèi)n土壤濕度調(diào)整子程序 y二氧化碳濃度測量 二氧化碳濃度是否在測量范圍內(nèi)n二氧化碳濃度調(diào)整子程序光照度測量 y二氧化碳濃度是否在測量范圍內(nèi)nn光照度調(diào)整子程序

32、y圖4.1 主程序圖5 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)結(jié)合單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)是本著在不影響功能實(shí)現(xiàn)的前提條件下盡可能降低生產(chǎn)成本的宗旨，以at89s52為核心，以pid控制為主要控制方式，以檢測并調(diào)節(jié)空氣溫濕度、土壤濕度、co2濃度和光照度為主要目的的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對溫室大棚參數(shù)信息的實(shí)時檢測和調(diào)整并報(bào)警，并且通過無線傳輸模塊nrf905將采集信息傳送給控制主機(jī)，再結(jié)合有線技術(shù)傳送給上位機(jī)，將無線技術(shù)和有線技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)的無線控制。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和實(shí)用性，對于實(shí)現(xiàn)溫室的智能化測控管理，降低勞動強(qiáng)度，

33、提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造大棚生產(chǎn)的最佳效益將產(chǎn)生積極作用。參考文獻(xiàn)1 管繼剛物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用j通信管理與技術(shù)，2010(3)：24272 孫科物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用j無線互聯(lián)科技，2012(3)：193 龔道禮基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研制d中國地質(zhì)大學(xué)，2011：84 胡漢才單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)m北京：清華大學(xué)出版社，2001：20265 劉守義單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)m西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20026 戴勇，周建平，梁楚華，趙二明. 基于at89s52單片機(jī)的多功能智能溫室測控系統(tǒng)j農(nóng)機(jī)化研究，2009(5)：1397 龔元石，李子忠fds探針兩種埋設(shè)方式下土壤水分的測定及其比

34、較j農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1997，13(2)：2422448 來清民傳感器與單片機(jī)接口及實(shí)例m北京：北京航空航空大學(xué)出版社，2008： 1391419 鐘亞飛基于單片機(jī)的溫室二氧化碳測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)d山東科技大學(xué)，2011：13.10莢慶，王代華，張志杰基于nrf905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)j國外電子元器件2008，(1)：293111 趙建華，沈永良一種自適應(yīng)pid控制算法j自動化學(xué)報(bào)，2001，27(2)：417420.12 劉金琨先進(jìn)pid控制matlab仿真m北京：電子工業(yè)出版社(第2版)，2004，913 張宇河，金鈺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)m北京；北京理工大學(xué)出版社，199614 ibrahim kay

35、a nusret tan derek pathertona refinement procedure for pid controllersjelectrical engineering，(2006)(88)：21522115 美katsuhiko ogata.陸伯英，于海勛等(譯)現(xiàn)代控制工程(第三版)m北京：電子工業(yè)出版社，2000，3.design of the intelligent monitoring system for green house based upon internet of thingsliu juan(department of physics ， dezhou

36、 university ， dezhou，253023)abstract based on the content of the networking technologies greenhouse canopy control system by at89s52 single chip microcomputer as the core, the heating furnace and fan, sprinkler irrigation and irrigation, fluorescent lamp, respectively, and to increase the heat shed

37、greenhouse carbon dioxide concentration, increase the air humidity, irrigation, artificial light supplement; sht10 digital temperature and humidity sensors, using fds-100 type soil moisture sensor, sh-300-dh carbon dioxide sensor and tsl2561 strong light sensor, will shed the data collected in the i

38、nformation in the liquid crystal display on the 1602, and through the serial cable communication will signals to from the machine. the host to finish the numerical precast and alarm circuit module function, and from the complete collection of machine numerical display and heating and fan, sprinkler

39、irrigation and irrigation and fluorescent lamp control functions. in this paper the design greenhouse canopy control system, can collect real-time control of the air temperature and humidity in greenhouse, soil humidity, light intensity, the concentration of carbon dioxide and other environmental pa

40、rameters to intuitive data shows to the user, and may, according to the demand of planting crops provide alarm information. keywords at89s52；sht10；fds-100；sh-300-dh；tsl2561 致 謝 在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師張秀梅的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。在我撰寫論文開題的過程中，張老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的中期過程檢查以及成文定稿方面，我都得到了張老師悉心細(xì)致的教誨和無私的

41、幫助，特別是她廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。 謝我的班主任劉毅老師，謝謝他在這四年中為我們?nèi)嗨龅囊磺?，他不求回?bào)，無私奉獻(xiàn)的精神很讓我感動，再次向他表示由衷的感謝。同時還要謝謝同學(xué)們，在我論文設(shè)計(jì)過程中給予的幫助，使我能夠順利的完成論文設(shè)計(jì)。最后，感謝我的母校德州學(xué)院四年來對我的大力栽培。我還要感謝含辛茹苦撫養(yǎng)我長大的父母，謝謝您們!附錄1 主機(jī)與從機(jī)無線通信模塊電路圖附錄2 系統(tǒng)總電路圖附錄3 程序#include<reg52.h>/"頭文件"#include<1602.h

42、>#include<cat24c.h>#include<ds1302.h>#include<0832.h>#include<wenshi.h> #include<image.h>sfr auxr=0x8e;sfr auxr1=0xa2;/"key記錄鍵值；k自動控制標(biāo)志；i、b用于顯示"unsigned char key=0,k=0,i=0,b=0,m=0,j=0,l=0,g=10,s=0; /"m、l、j、g用于計(jì)時"unsigned char xdata show8;/"用于

43、顯示轉(zhuǎn)換"unsigned char xdata wet6; /"濕度0:1、溫度2:3、co24、光強(qiáng)5"unsigned char xdata max6=0;unsigned char xdata min6=0;unsigned char xdata t0ime8=1,2,3,5,6,7,8,9;/*-*/"比較參量0,時間0:1、濕度2:3、溫度4:5、co26、光強(qiáng)7"unsigned char xdata t1ime8=1,2,3,5,6,7,8,9;/*-*/"比較參量1,時間0:1、濕度2:3、溫度4:5、co26、光強(qiáng)

44、7"unsigned char address=0x10; /"ram地址"sbit key1=p17; /"按鍵1" sbit key2=p01;/"2" sbit key3=p02;/"3" sbit key4=p00;/"4" sbit led=p03;/"12864背燈"sbit co2=p37; /"co2加熱"sbit mo=p20;/"電機(jī)"sbit li=p21; /"加熱燈"void me

45、nu();void welcome() /"歡迎界面"chn_disp(0x92,4,"歡迎使用");chn_disp(0x98,8,"吉林大學(xué)電子學(xué)院");void readall() /"讀取時間、濕、溫、co2、光強(qiáng)"read_rtc();rh(wet);wet4=adc0832(1);wet5=adc0832(1);void change(unsigned char n)/"數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換"unsigned char k;unsigned int g;switch(n)case 0:for

46、(k=0;k<3;k+)show6-3*k=set_rtc_codek/16+'0'show7-3*k=set_rtc_codek%16+'0'show5=show2=':'break;case 1:show0=set_rtc_code6/16+'0'show1=set_rtc_code6%16+'0'show4=set_rtc_code4/16+'0'show5=set_rtc_code4%16+'0'show6=set_rtc_code3/16+'0'sho

47、w7=set_rtc_code3%16+'0'break;case 2:show0=t0ime1/16+'0'show1=t0ime1%16+'0'show3=show2='-'show4=t0ime0/16+'0'show5=t0ime0%16+'0'break;case 3:show0=t1ime1/16+'0'show1=t1ime1%16+'0'show3=show2='-'show4=t1ime0/16+'0'show5=t1

48、ime0%16+'0'break; case 4:g=wet0*0x100+wet1;show0=g/100+'0'show1=(g/10)%10+'0'show2='.'show3=g%10+'0'show4='%'break; case 5:g=wet2*0x100+wet3;show0=g/100+'0'show1=(g/10)%10+'0'show2='.'show3=g%10+'0'break; case 6:g=co2_de

49、al(wet4);show0=g/1000+'0'show1=(g/100)%10+'0'show2=(g/10)%10+'0'show3=g%10+'0'show4='p'show5='p'show6='m'break; case 7:show0=wet5/16+'0'show1=wet5%16+'0'show2='p'show3='p'show4='m'break;void clean()/"

50、;清屏"wr_lcd(comm,0x30);wr_lcd(comm,0x01);lat_disp(0,0);delay1(100);void z() /"制作"clean();chn_disp(0x80,2,"制作");chn_disp(0x92,2,"肖輝");chn_disp(0x8a,3,"呂興東");chn_disp(0x9a,3,"王大美");void showall(char a) /"1602顯示所有"switch(a)case 0:readall()

51、; wr_lcd(comm,0x0c);clean();change(0);chn_disp(0x80,4,show);chn_disp(0x85,2,"星期");show0=set_rtc_code5+'0'chn_disp_1(0x87,0,1,show);change(4);chn_disp_1(0x90,0,5,show);change(5);chn_disp_1(0x95,0,5,show);chn_disp_1(0x97,0,2,"");change(6);chn_disp_1(0x88,0,7,show);change(7)

52、;chn_disp_1(0x8d,0,5,show);chn_disp(0x98,4,"功能設(shè)置");break;case 1:chn_disp(0x80,4,"參量設(shè)置");chn_disp(0x90,4,"模式設(shè)置");chn_disp(0x88,4,"記錄處理");chn_disp(0x98,2,"復(fù)位");break;case 2: chn_disp(0x82,4,"參量設(shè)置");chn_disp(0x90,4,"測量間隔");chn_disp(0

53、x88,4,"時間設(shè)置");chn_disp(0x98,4,"濕度范圍");break;case 9:chn_disp(0x82,4,"參量設(shè)置");chn_disp(0x90,4,"溫度范圍");chn_disp_1(0x88,0,4,"co2");chn_disp(0x8a,2,"濃度");chn_disp(0x98,4,"光強(qiáng)范圍");break;case 3:chn_disp(0x82,4,"測量間隔");show0=s/10+

54、'0'show1=s%10+'0'chn_disp_1(0x91,0,2,show);chn_disp(0x92,2,"分鐘");show0='/'chn_disp_1(0x94,0,1,show);chn_disp(0x95,1,"次");chn_disp(0x98,2,"確定");break;case 4:chn_disp(0x82,4,"時間設(shè)置");change(1);chn_disp(0x92,4,show);chn_disp(0x91,3,show);chn_disp(0x92,1,"年");chn_disp(0x94,1,"月");chn_disp(0x96,1,"日");change(0);chn_disp(0x8a,4,show);show5=show4;show4=show3;chn_disp(0