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棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及主要器件選擇
來(lái)源： http://www.jetlicn.com/ 類(lèi)別：實(shí)用技術(shù) 更新時(shí)間：2013-04-19 閱讀次
【本資訊由中國(guó)糧油儀器網(wǎng)提供】 設(shè)計(jì)一套棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，并將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)由無(wú)線模塊傳輸并存儲(chǔ)到上位機(jī)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)溫濕度，土壤水分等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并控制相應(yīng)的執(zhí)行器對(duì)棚內(nèi)溫度，水分等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到植物生長(zhǎng)最佳狀態(tài)。
根據(jù)需求分析，采用模塊化和分層次設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。最后把硬件和軟件集成在一起進(jìn)行調(diào)試。
1、棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)一套棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，諸如二氧化碳檢測(cè)儀對(duì)棚內(nèi)二氧化碳含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)由無(wú)線模塊傳輸并存儲(chǔ)到上位機(jī)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)溫濕度，土壤水分等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并控制相應(yīng)的執(zhí)行器對(duì)棚內(nèi)溫度，水分等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到植物生長(zhǎng)最佳狀態(tài)。根據(jù)需求分析，采用模塊化和分層次設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。最后把硬件和軟件集成在一起進(jìn)行調(diào)試。
2、MSPF430單片機(jī)
核心芯片選用MSP430單片機(jī)，MSP430單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，它根據(jù)不同的應(yīng)用提供不同型號(hào)的單片機(jī)，這里我們選用單片機(jī)的型號(hào)是MSP430F149，它具有16位RSIC結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用不同的時(shí)鐘源工作可以使器件滿足不同的功耗要求，當(dāng)芯片處在低功耗模式下，數(shù)字控制振蕩器（DCO）可以使器件從低功耗模式下迅速喚醒，能夠在少于6us的時(shí)間內(nèi)從低功耗轉(zhuǎn)到激活工作模式。它的主要特點(diǎn)：（1）超低功耗。在1.8~3.6V的電壓，1MHz時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，耗電電流在0.1~400uA之間，該系列單片機(jī)具有16個(gè)中斷源，并可以嵌套使用，使用中斷請(qǐng)求將CPU從低功耗模式下喚醒只要6us的時(shí)間。（2）處理能力強(qiáng)。該系列單片機(jī)為16位的RSIC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，簡(jiǎn)捷的指令，大量的寄存器，較高的處理速度，是傳統(tǒng)51單片機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。（3）豐富的外設(shè)資源。主要的外設(shè)有定時(shí)器，看門(mén)狗，比較器，串口，硬件乘法器，ADC模塊等外設(shè)。（4）調(diào)試方便。該系列單片機(jī)一般是基于FLASH型的并提供JTAG口，因此能很好地實(shí)現(xiàn)在線仿真功能。
3、傳感器的選擇
溫度傳感器選用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，用來(lái)采集土壤溫度。從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，使作物能更好的生長(zhǎng)。數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專(zhuān)利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)中，需要很好地解決引線誤差補(bǔ)償問(wèn)題、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差問(wèn)題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問(wèn)題等技術(shù)問(wèn)題，才能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。另外，一般監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號(hào)較強(qiáng)，模擬溫度信號(hào)容易受到干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響測(cè)量精度。因此，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問(wèn)題的最有效方案，新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效果。
4、軟件設(shè)計(jì)
用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)按照模塊化的思想進(jìn)行編譯，主要分為以下模塊：顯示模塊，通信模塊，控制模塊，傳感器口模塊。傳感器有數(shù)字信號(hào)傳感器和模擬信號(hào)傳感器，數(shù)字信號(hào)傳感器按照其相應(yīng)的時(shí)序?qū)ζ渚幊蹋褦?shù)據(jù)直接傳到單片機(jī)即可。模擬信號(hào)傳感器輸出模擬信號(hào)，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在傳入單片機(jī)，430單片機(jī)內(nèi)置AD模塊，將模擬信號(hào)傳感器接到帶有AD轉(zhuǎn)換功能的I/O引腳上，對(duì)單片機(jī)的AD模塊進(jìn)行編程設(shè)置即可。
針對(duì)溫室大棚中的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)溫室中的環(huán)境做相應(yīng)的調(diào)整以適合作物生長(zhǎng)的最佳條件，并與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，把采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，在上位機(jī)上可以顯示數(shù)據(jù)并可對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，同樣可以用手機(jī)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)和控制。
根據(jù)需求分析，采用模塊化和分層次設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。最后把硬件和軟件集成在一起進(jìn)行調(diào)試。
1、棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)一套棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，諸如二氧化碳檢測(cè)儀對(duì)棚內(nèi)二氧化碳含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)由無(wú)線模塊傳輸并存儲(chǔ)到上位機(jī)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)溫濕度，土壤水分等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并控制相應(yīng)的執(zhí)行器對(duì)棚內(nèi)溫度，水分等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到植物生長(zhǎng)最佳狀態(tài)。根據(jù)需求分析，采用模塊化和分層次設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。最后把硬件和軟件集成在一起進(jìn)行調(diào)試。
2、MSPF430單片機(jī)
核心芯片選用MSP430單片機(jī)，MSP430單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，它根據(jù)不同的應(yīng)用提供不同型號(hào)的單片機(jī)，這里我們選用單片機(jī)的型號(hào)是MSP430F149，它具有16位RSIC結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用不同的時(shí)鐘源工作可以使器件滿足不同的功耗要求，當(dāng)芯片處在低功耗模式下，數(shù)字控制振蕩器（DCO）可以使器件從低功耗模式下迅速喚醒，能夠在少于6us的時(shí)間內(nèi)從低功耗轉(zhuǎn)到激活工作模式。它的主要特點(diǎn)：（1）超低功耗。在1.8~3.6V的電壓，1MHz時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，耗電電流在0.1~400uA之間，該系列單片機(jī)具有16個(gè)中斷源，并可以嵌套使用，使用中斷請(qǐng)求將CPU從低功耗模式下喚醒只要6us的時(shí)間。（2）處理能力強(qiáng)。該系列單片機(jī)為16位的RSIC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，簡(jiǎn)捷的指令，大量的寄存器，較高的處理速度，是傳統(tǒng)51單片機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。（3）豐富的外設(shè)資源。主要的外設(shè)有定時(shí)器，看門(mén)狗，比較器，串口，硬件乘法器，ADC模塊等外設(shè)。（4）調(diào)試方便。該系列單片機(jī)一般是基于FLASH型的并提供JTAG口，因此能很好地實(shí)現(xiàn)在線仿真功能。
3、傳感器的選擇
溫度傳感器選用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，用來(lái)采集土壤溫度。從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，使作物能更好的生長(zhǎng)。數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專(zhuān)利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)中，需要很好地解決引線誤差補(bǔ)償問(wèn)題、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差問(wèn)題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問(wèn)題等技術(shù)問(wèn)題，才能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。另外，一般監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號(hào)較強(qiáng)，模擬溫度信號(hào)容易受到干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響測(cè)量精度。因此，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問(wèn)題的最有效方案，新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測(cè)溫效果。
4、軟件設(shè)計(jì)
用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)按照模塊化的思想進(jìn)行編譯，主要分為以下模塊：顯示模塊，通信模塊，控制模塊，傳感器口模塊。傳感器有數(shù)字信號(hào)傳感器和模擬信號(hào)傳感器，數(shù)字信號(hào)傳感器按照其相應(yīng)的時(shí)序?qū)ζ渚幊蹋褦?shù)據(jù)直接傳到單片機(jī)即可。模擬信號(hào)傳感器輸出模擬信號(hào)，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在傳入單片機(jī)，430單片機(jī)內(nèi)置AD模塊，將模擬信號(hào)傳感器接到帶有AD轉(zhuǎn)換功能的I/O引腳上，對(duì)單片機(jī)的AD模塊進(jìn)行編程設(shè)置即可。
針對(duì)溫室大棚中的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)溫室中的環(huán)境做相應(yīng)的調(diào)整以適合作物生長(zhǎng)的最佳條件，并與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，把采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，在上位機(jī)上可以顯示數(shù)據(jù)并可對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，同樣可以用手機(jī)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)和控制。
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