基于單片機(jī)的農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

　　摘 要：近年來，溫室大棚技術(shù)展現(xiàn)出巨大經(jīng)濟(jì)潛力，自動化的大棚監(jiān)控系統(tǒng)也顯得尤為重要，然而目前市場上所售的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)存在兩點(diǎn)不足：設(shè)備自動化程度較低、造價高昂。文章針對上述情況，設(shè)計了一種新型的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，采用集散控制系統(tǒng)，下位機(jī)多點(diǎn)分布采集和控制，上位機(jī)集中處理數(shù)據(jù)產(chǎn)生決策控制信息，主從機(jī)之間采用無線網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)環(huán)境集中控制、數(shù)據(jù)實時上傳網(wǎng)絡(luò)、用戶在線查看等功能。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)大棚;智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng);“互聯(lián)網(wǎng)+”

　　近年來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，大棚技術(shù)得到了極為廣泛的推廣和應(yīng)用[1]，然而傳統(tǒng)的人工控制方式很難滿足科學(xué)種植的要求，農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)有效彌補(bǔ)了人工技術(shù)方面的不足，使農(nóng)業(yè)大棚種植真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)化管理[2-3]。但市場上已有的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)普遍存自動化程度較低且造價昂貴的問題[4-5]。本文提出一種新型農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，以較低的成本實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的自動化控制。系統(tǒng)以STC15單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計，將多種環(huán)境檢測單元集成為獨(dú)立的環(huán)境檢測點(diǎn)，對多種基礎(chǔ)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，使用無線通信技術(shù)將多個環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總處理，并通過WiFi協(xié)議連接至互聯(lián)網(wǎng)平臺[6-7]，實現(xiàn)實時環(huán)境的反饋控制、數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)平臺、用戶在線查看控制等功能。以較低的價格滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)的必要需求。

　　1 系統(tǒng)整體設(shè)計

　　大棚智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體設(shè)計框架如圖1所示，系統(tǒng)由一臺主機(jī)、8臺數(shù)據(jù)采集從機(jī)、兩臺反饋從機(jī)和云服務(wù)平臺組成(數(shù)據(jù)采集從機(jī)和反饋從機(jī)僅各列舉一臺)。主機(jī)定時向8臺數(shù)據(jù)采集從機(jī)依次發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，數(shù)據(jù)采集從機(jī)接收到指令后讀取當(dāng)前某定點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)預(yù)處理[8]并編碼發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)給出控制決策使從機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)動作，同時將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、圖表化，為用戶提供便利的監(jiān)控平臺。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 從機(jī)硬件設(shè)計

　　從機(jī)硬件可分為電源、控制電路和功能電路。從機(jī)電源電路設(shè)計為通過太陽能電池供電增強(qiáng)靈活性。為了防止太陽能板使用過程中出現(xiàn)過壓和浪涌沖擊控制電路，可以在電源電路中添加3.7 V的鋰電池收集光照強(qiáng)烈時多余的電能，同時使用LM7805芯片構(gòu)成穩(wěn)壓限流電路，維持從機(jī)電路電壓和電流的穩(wěn)定性。反饋從機(jī)安裝于水泵電機(jī)或散熱扇電機(jī)附近，通過繼電器對電機(jī)控制，因此可將反饋從機(jī)電源電路接入220 V交流電網(wǎng)，通過降壓、穩(wěn)壓、限流電路將交流電轉(zhuǎn)換為5 V直流，對控制電路和無線通信模塊進(jìn)行供電。兩種從機(jī)控制電路都采用STC15F2K60S2單片機(jī)作為中心控制單元，該芯片內(nèi)部集成高精度R/C時鐘，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路，并具有兩組超高速異步串行通信端口和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換端口。從機(jī)按照所執(zhí)行功能的不同分為數(shù)據(jù)采集從機(jī)和反饋從機(jī)。數(shù)據(jù)采集從機(jī)通過使用DHT11溫濕度采集模塊、YL-69土壤濕度傳感器、BH1750光照度模塊對基礎(chǔ)環(huán)境信息進(jìn)行采集，同時將STC15F2K60S2剩余的A/D轉(zhuǎn)換端口引出，支持用戶后期根據(jù)需求添加傳感器模塊。反饋從機(jī)的功能電路通過光耦合繼電器的組合，控制220 V異步交流電機(jī)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　2.2 主機(jī)硬件設(shè)計

　　主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)較為簡單，主要為電源和控制電路。主機(jī)使用外置充電器充電，并配合內(nèi)置的5 V可充電鋰電池為主機(jī)電路進(jìn)行供電。電路板內(nèi)置3.3 V降壓限流電路，降壓電路選用AMS1117-3.3芯片配合外部電路進(jìn)行設(shè)計，具有限流和過熱切斷的功能，可在供電單元發(fā)生過壓和浪涌時有效維持主機(jī)電路內(nèi)部電壓電流穩(wěn)定。由于連接互聯(lián)網(wǎng)所使用的ESP-01S模塊額定電壓為3.3 V，所以選用3.3 V供電的STC15L2K60S2作為主機(jī)主控芯片，該芯片的功能與從機(jī)使用的STC15F2K60S2完全相同。數(shù)據(jù)處理電路配備有EEPROM存儲單元，將主機(jī)采集到的數(shù)據(jù)定時進(jìn)行存儲，防止數(shù)據(jù)掉電丟失，保證采集到環(huán)境數(shù)據(jù)的連續(xù)穩(wěn)定性。

　　2.3 無線傳輸設(shè)備

　　無線傳輸設(shè)備分為兩種：一是組建本地局域網(wǎng);二是連接互聯(lián)網(wǎng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要大面積耕地，普通的無線通信模塊通信距離有限，難以將整個大棚都覆蓋在無線通信范圍內(nèi)，因此構(gòu)建本地局域網(wǎng)時選用HC-12無線通信模塊，該模塊通信方式靈活度高，可實現(xiàn)一對一或多對多無線通信，全功率運(yùn)行透傳距離可達(dá)200 m，無障礙通信距離達(dá)800 m，適用于構(gòu)建中小型無線透傳網(wǎng)絡(luò)。WiFi模塊用于主機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行通信，將物聯(lián)網(wǎng)連接至互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的云存儲和在線監(jiān)控。選用ESP-01S模塊，采用ESP8266芯片作為MCU，是一款專職于WiFi聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)模塊，可快速地與指定網(wǎng)頁進(jìn)行穩(wěn)定連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時上傳和下載。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 從機(jī)程序設(shè)計

　　從機(jī)在硬件上分兩種，但在程序設(shè)計上兩種從機(jī)程序類似，僅功能性指令不同(數(shù)據(jù)監(jiān)測從機(jī)為數(shù)據(jù)采集，反饋從機(jī)為執(zhí)行相應(yīng)操作指令)。數(shù)據(jù)檢測從機(jī)程序流程如圖2所示，從機(jī)通電后等待主機(jī)發(fā)送連接標(biāo)志，接收到正確的標(biāo)志時，點(diǎn)亮連接標(biāo)志指示燈，返回從機(jī)編號并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待無線通信模塊接收到功能指令后執(zhí)行相應(yīng)指令。

　　3.2 主機(jī)主程序設(shè)計

　　系統(tǒng)主機(jī)主控單片機(jī)主要負(fù)責(zé)處理兩個無線模塊之間數(shù)據(jù)的接收、運(yùn)算和傳遞的工作，如圖3所示。聯(lián)網(wǎng)功能完全移動至ESP8266芯片實現(xiàn)，對ESP8266單片機(jī)進(jìn)行SDK編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上傳下載的自動化，主控單片機(jī)只需將需上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定格式的編碼、通過串口送往WiFi模塊即可將數(shù)據(jù)上傳，同理，下載的網(wǎng)絡(luò)報文只需提取用戶數(shù)據(jù)區(qū)的信息送往主控單片機(jī)即可，減輕主控MCU的工作負(fù)擔(dān)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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