土壤温湿度范文

导语：如何才能写好一篇土壤温湿度，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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[关键词] 土壤 温湿度 数据采集系统

[中图分类号] S159.2 [文献标识码] A [文章编号] 1003-1650 （2013）04-0059-01

一、引言

高端科学技术水平的不断提升发展，促使实际生产环境应该进行相应的改进与完善。根据农作物对水的需求度与水源供应情况，对于提供给农作物的各种基础生长条件进行恰当的控制与调节从而可以保证水资源的合理使用，然而土壤的温湿度对于农作物的正常生长有着重要的决定作用，这是作为管理农作物生长的重要考虑因素。因此对于农作物的正常生长规律需要进行及时的控制与调节，各种农作物会处于不同时段的发育期而相应的需水量与合适的生长温度各有所不同，这些问题在本质上应该是取决于土壤的含水量。土壤中含水量的相应测量方法，由传统旧式的烘干法到之后的电测法到现在的核技术方法等发展过程。本文研究的是一种适用于提供灌溉试验站点和生产单位选用的快速温湿度数据采集系统[1]，选取AD590与湿敏电容实现对温湿度数据的测量，相应的采集信号经过A/D处理后进行数据显示，将单片机作为控制核心与选用滞回比较器进行数据处理可以很大程度地简化系统的电路机构，降低了功耗与成本，具有较高的实用价值。

二、数据采集系统的设计原理

本文设计的土壤温湿度数据采集系统选取AT89C51型号的单片机作为主控核心，这型号配置了四节闪烁可编程可擦除式的只读存储器需要的低电压条件，是一款具有高性能的8位MOS微处理芯片，其相应的可擦除只读存储器能够允许重复擦出100次[2]，使用ATME密度的非易失存储器技术进行产生制造，符合工业领域的标准且能够与MCS-51的指令集与输出管脚实现兼容。本文系统设计的相应扩展电路选取的是Intel公司生产制造的可编程式输入输出接口芯片8255，其配置了三个并行式I/O口，分别是PA口、PB口和PC口，然而PC口可分为高四位口与低四位口，其均是需要经过相应的软件编程来实现工作方式的改变。

三、土壤温湿度数据采集系统的模块化设计

1.温度采集电路模块

测量温度的电子元件采用集成化的温度传感器AD590，其具有温度-输出电流特性成线性关系的优点。此温度采集电路模块的电流输出是1μA/K， R1、R2、R3、R4 与AD590共同构成测温电桥电路。其中相应的基准电压是2.73V，当处于零摄氏度时，相应的电位是2.73V，然后由A2、A3和A4构成的数据放大器相应的输入与输出都为零[3]。当温度升高时，放大器相应的输入电压是以10mV/°C的变化速率进行变化，其对应的放大倍数是5，当测量温度的范围在0-50°C时，其相应输出电压是0-2.50V。

2.湿度采集电路模块

湿度采集电路模块分别由电容传感器CX、C0、C1与电阻R3、R4构成的基本电桥式电路，由G1与G2两个与非门构成了多谐振荡器从而充当电桥电路的电源，相应的频率是10kHz[4]。不平衡式的电桥电路相应的输出电压变化可以反映出CX的动态变化，也即是土壤中的含水量变化，通过A进行放大处理后送入至A/D转换电路处理。温度补偿电路由负温度特性的热敏式电阻RX和变容式二极管2CC3构成，变容二极管相应的电容量是跟随着偏置电压的幅值而发生改变，如果温度上升时电容CX的数值也会相应的增大，此时补偿电路的热敏式电阻值RX反而会减小，这样会使得变容二极管的偏压值升高，相应的电容值减小，从而实现对CX的校正处理。

3.数据显示电路模块

通过AD590型号的温度传感器所测量得到相应的温度信号之后进行对应的数据显示[5]。湿度信号时经过对应的湿敏电容进行采集后实现模数转换而得到的，传感器相应的输出电压用V表示，经过A/D转换器的作用进行地址码的编写，由EPROM的相对应单元可以输出含水量数据代码，然后经过DAC0832以电压形式输出，最后可以显示出相应的土壤含水量。

4.系统控制电路模块

系统的控制信号是通过AT89C51中的P0口进行输出送到相应的控制电路74HC373中，并且由WR与P25经逻辑门74HC02对74HC373实现控制。如果WR与P25都处于低电平状态时，可以允许74HC373输出相应的控制信号[6]。继电器J1、J2与J3通过晶体管9013实现驱动，其相应的驱动电流大概是150mA。在继电器释放过程中二极管4007和继电器的线圈构成通路状态，用于保护晶体管9013。为达到保护继电器的目的，在后继电路接入一级接触器，通过接触器对受控制对象进行直接驱动。

四、结束语

在本文设计土壤温湿度数据采集系统中选取AD590用于测量温度，只需使用湿敏电容就能够实现湿度的测量，从而可以把土壤湿度状况转换成相对应的电容值以数字形式显示出来，不但实现电路结构的有效简化，还可以节约了系统的硬件搭建成本。传感器的相应探头是由一对针形的不锈钢柱所构成，并且易于土壤里，对土壤结构造成的影响相对比较小。系统的控制核心选取AT89C51单片机结合继电器进行电机的控制，从而达到实现温湿度调节的目的，跟同类型的传统旧式测量系统以及现代化测量系统对比，其具有系统结构简化、体积尺寸小、硬件成本低与通用性良好等多种特点，有利于系统的升级优化。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社，2005.

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1研究区概况

选取甘肃省庆阳市西峰区西峰气象站（35°44′N，107°38′E）为代表站进行研究。该站位于陇东黄土高原东部的董志塬。董志塬面积910km2，由塬地、川地和河流滩地组成，海拔高度1421m，是黄土高原保存较为完整的一块塬面。该塬黄土层深厚，气候属半干旱半湿润区，农业为典型的旱作农业。年平均降水量527．1mm，年平均温度8．7℃，平均日照2457．8h，具有典型的黄土高原地理和气候特征。西峰区气象站是陇东地区较为重要的农业气象试验站，其所测土壤湿度数据是甘肃东部黄土高原土壤含水状况的典型代表，故本文选取西峰区气象站为代表站进行研究。

2资料来源

2．1土壤湿度数据本研究所采用的土壤湿度资料分为两部分，前者来源于中国气象局气象数据共享网的《中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集》。该数据集包含了1991年9月至2010年12月中国778个农业气象站逐旬观测记录的农作物生长发育状况报告，具体内容包括：作物名称；发育期名称；发育期日期；发育程度；发育期距平；干土层厚度；10，20，50，70，100cm土壤相对湿度（用百分数表示）。另外，分层土壤湿度数据来源于国际土壤湿度网络共享数据（http：∥www．ipf．tuwien．ac．at／insitu／），该数据集包括中国境内40个农业气象站1981—1999年每年3—11月每旬第8d利用土钻法人工取土得到的分层土壤湿度（土壤含水量占干土质量百分比）观测记录。取土深度为1m，每10cm为一层，共分11层（0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60，60—70，70—80，80—90，90—100cm），每个点取1次，共4个重复。然后利用烘箱烘干，称重后计算土壤含水量，4次重复的平均即土壤的平均含水量。观测结果已转化为体积含水量。土壤水文与物理特性常数来自于1980年和1998年的测定值。在土壤湿度观测的固定测定地段内，土壤、耕作制度等变化相对较小，因此，年际间非气象因子的影响较小。

2．2气象数据本研究所采用的气象数据同样来源于中国气象局气象数据共享网（http：∥cdc．cma．gov．cn／）的《中国地面气候资料年值数据集》和《中国地面气候资料月值数据集》。该数据集包括中国752个基本、基准地面气象观测站及自动站1951年以来气候资料年值、月值数据集。本文主要选取该数据集中西峰区站的温度和降水要素进行分析。

3研究方法

在本研究中，采用线性趋势法分析温度、降水等气象要素以及土壤湿度的变化趋势，线性趋势变化可用一元方程描述和建立变量y（x）与其所对应的时间x的一元线性回归方程：y（x）＝ax＋b。式中：a为斜率，亦即趋势倾向率或变化率；b为截距，a，b可用最小二乘法进行估计。趋势显著性检验采用F检验［8－9］。在分析土壤相对湿度与气象要素的相关关系时使用皮尔逊相关分析法，其计算公式如下：式中：n———样本数；珡X———变量x的均值；珚Y———变量y的均值；rxy———变量x和变量y的相关系数。通过该系数可以确定，如果r值通过0．05的显著性水平（p＜0．05），则认为土壤湿度与气象要素变化紧密相关。本研究采用非参数检验法［10］对气温、降水资料序列进行突变检测，该方法为无母数检定法，不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值干扰，适用于类型变量和顺序变量，计算方便简单。在气候序列平稳前提下对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：式中：ri———第i个样本xi大于xj（2≤j≤i）的累计值。在时间序列随机独立的假设下，定义统计量：当│UFk│≥Ua时（Ua为显著水平的临界值），表明序列存在明显的增长或减少趋势。所有UFk将组成一条曲线UF。把同样的方法引用到反序列中，得到另一条曲线UB，UF或UB的值超过临界直线时，表明增长或减少趋势显著，超出临界线的区域为出现突变的区域，两条曲线的交点若在临界线之间，则对应的便是突变开始时间。潜在蒸散量采用FAO推荐的Penman—Monteith方法［11－12］计算。

4结果与分析

4．1近50a气温、降水变化主要特征

1961—2010年的50a间西峰区气温呈明显上升趋势，年平均气温以0．5℃／10a的速度增加，其中春、夏、秋、冬各季的平均气温分别以0．5，0．2，0．4，0．6℃／10a的速度增加，冬季增温最明显。年代际间的增温幅度以21世纪初的10a最为明显（表1），80年代增温最小。50a来气温呈波动上升，20世纪80年代后期前气温降低，之后逐渐上升。这与陈隆勋等［13］研究得出的全国平均气温变化特征相似。50a来年降水量以平均20．9mm／10a的速度下降，季节降水量的变化存在明显差异，春、秋季降水量分别以5．4和19．2mm／10a的速度下降，而夏、冬季降水分别以2．7和1．6mm／10a速度增加。降水的年代际变化差异也较大，21世纪初10a平均年降水量为546．3mm，较20世纪90年代增加了72．6mm，是降水量增加幅度最大的年代。20世纪90年代平均年降水量仅为473．7mm，较80年代减少了89．2mm，是降水量最少，减少幅度最大的年代（表1）。50a来年降水量呈波动式减少，80年代初前后降水量增加，之后一直呈降低趋势。1995年是降减少最大的年份，年降水量仅为333．8mm，21世纪初的几年有所增加。

4．2近20a土壤湿度变化规律

4．2．1土壤湿度年代、季节变化不同年份气候、环境等条件变化使土壤湿度条件存在年际间差异［14］。从图1可以看出，20a来各层土壤湿度总体上均呈现出下降趋势。1992年以后土壤湿度在1997年和1995年降到最低值，21世纪初10a略有增加。为进一步分析土壤湿度的变化规律，分别计算出不同层次各季土壤湿度变化率（表2）。总体来看，近20a春季不论浅层还是较深层土壤湿度呈下降趋势，是各季中土壤湿度减少最明显的季节，且表层土壤湿度更易受到气候条件变化的影响。20a来夏季土壤湿度变化趋势与春季具有类似规律，但变化率明显低于春季。秋季土壤湿度变化与春季和夏季稍有不同，10—50cm土壤湿度呈下降趋势，70cm和100cm呈上升趋势。对20a间西峰区逐年平均土壤湿度和降水量进行了对比分析。由其时间演变曲线（图1）可以看出，土壤湿度及降水量年际变化振荡比较明显，呈多波动分布，两者达到显著相关水平，且降水变化较土壤湿度变化更剧烈。年平均湿度最小值出现在1995年，为55％。最大值出现在2003年，为74％，是最小年的1．35倍。而年降水量最小值出现在1995年，为333．8mm，最大值出现在2003年，为828．2mm，是最小年的2．49倍。1997—2003年土壤湿度持续增加，1992—1995年不断下降。而年降水量波动变化较大。1992—1995年降水量持续降低，1999—2003年持续升高。所测土壤湿度的变化与降水量变化并不完全一致，是因为土壤湿度的变化除了受作物消耗及蒸发作用影响外，还与降水时段出现在测墒前与测墒后有很大关系。

4．2．2土壤湿度的月变化为了分析西峰区麦田土壤湿度在小麦生长期对时间的敏感变化，分别研究了土壤湿度的月、旬变化。其中旬、月变化总趋势是8—11月为土壤蓄墒期，3—7月为土壤失墒期。为了分析土壤湿度的月变化，对西峰区8—11月与次年3—7月0—100cm土壤湿度进行了分析。由土壤湿度月变化图（图2）可以看出，8—11月与次年3—7月的土壤湿度变化趋势为先增加再减少，高峰期在10，11月。土壤湿度最低值出现在6，7月，可将这2个阶段分为秋季增墒期和春末夏初失墒期。（1）秋季增墒期。根据西北地区东部降水季节变化［7］，陇东地区年降水主要集中在7—8月，降水充足，期间麦田正处于休闲期，是土壤蓄水的关键时期，9—11月是冬小麦播种、出苗至停止生长阶段。期间作物耗水量和蒸发量都很少，有利于土壤冬前水分储备，以至于到11月土壤湿度达到最大值。（2）春末夏初失墒期。3—4月为春季少雨期以及冬小麦的返青拔节期。该期耗水量大，降水不能满足作物的需求，土壤湿度下降。5—6月为春末夏初阶段。该期间冬小麦处于抽穗至乳熟期，耗水量大增，气温升高，蒸发量变大，使土壤水分损失较大，失墒严重，为一年之中土壤湿度的最低值期。

4．2．3土壤湿度的旬变化为了进一步分析西峰区土壤湿度对时间的敏感变化，分析了西峰区7月中旬至11月上旬及次年3月上旬至7月上旬逐旬0—100cm土层土壤体积含水量。由图2可以看出，7月中旬至8月下旬该区处于降水高峰期，土壤水分得到补充，土壤墒情得到不断改善；9月上旬至10月上旬，降水量急剧减少。由于期间作物消耗水量较少，加之秋季多连阴雨天气，蒸发量较少，土壤湿度持续增长。3月上旬至4月中旬为冬小麦返青至拔节期。该期耗水量增加，平均降水量略有增加，含水量有小波动变化。4月下旬至6月下旬，小麦处于孕穗期、腊熟期。该期间西峰区处于春末夏初阶段，作物耗水量远大于降水量，土壤湿度不断降低。7月上旬，降水量增加，冬小麦处于成熟至收获期。该期需水量大减，土壤湿度略有增加。

4．3气候变化对土壤湿度的影响

自然降水是陇东土壤水分最主要的来源，气温通过蒸发影响土壤湿度。计算1991—2010年西峰区春、夏、秋季10，20，50，70，100cm土壤湿度百分率与不同季节平均气温、降水量的相关系数（表3）。可以看出，就表层土壤而言，各季土壤湿度与本季气温均为负相关，与降水量呈正相关。春季土壤湿度与上年夏、秋季平均气温负相关；夏季土壤湿度与春季平均气温、降水相关显著；秋季土壤湿度与夏季降水呈正相关。就较深层土壤而言，春季土壤湿度与上年夏、秋季气温、降水呈显著相关；夏季则与春季气温、降水及该季气温显著相关；秋季雨水丰沛，较深层土壤湿度与各季气温、降水相关均不显著。可见雨季的气候条件不仅影响到该季土壤湿度条件，而且影响到次年春季的土壤湿度，尤其是深层的土壤湿度条件，即所谓的“秋雨春用”。

4．4蒸散对土壤湿度的影响

潜在蒸散量（E0）包括地面蒸发和植物蒸腾在内的土壤水分散失，综合反映了气温、水汽压、日照和风速等气象要素对土壤水分散失的影响。作为土壤水分循环的一个重要方面，蒸散对土壤湿度有明显制约作用。由潜在蒸发与土壤湿度季节变化和年变化曲线（图3—4）可以看出，潜在蒸发与土壤湿度变化趋势基本相反，蒸发强烈导致土壤水分支出增加。图3—4反映了西峰地区潜在蒸散量和土壤湿度的月份和年际变化。可以看出，潜在蒸散量对土壤湿度的影响月份和年际变化均呈现出反位相的特点。在月变化上，蒸散量峰值出现在7月，对应的土壤湿度谷值出现在6，7月份，基本呈同步变化趋势。年际变化上，3—11月蒸散量峰、谷值出现在1997年和2003年，与之对应的土壤湿度的谷、峰值也位于1997年和2003年，蒸散量与土壤湿度的反位关系表现得较为明显。5结论

（1）50a来陇东气温呈波动上升，降水量呈波动减少。20世纪80年代后期气温以上升为主，降水以下降为主，与王飞等［15］的“1985—1993年为暖湿期，降水量和年均气温均较高”的结论比较接近。陇东气温在1993年发生暖突变，降水突变点并不明显。1995年是降水负距平最大的年份。

（2）20a来陇东各层土壤湿度总体上均呈现出下降趋势，21世纪初10a略有增加。春季各层土壤湿度呈下降趋势，是各季中土壤湿度减少最明显的季节，表层土壤湿度更易受到气候条件变化的影响。夏季土壤湿度变化趋势与春季具有类似规律，但变化率明显低于春季。秋季土壤湿度变化与春季和夏季稍有不同。10—50cm土壤湿度呈下降趋势，70cm和100cm呈上升趋势。西峰区土壤湿度年际变化振荡明显，呈多波动变化，其变化较年降水量相对迟缓。土壤湿度与降水量的相对变化除了受作物消耗及蒸发作用影响外，还与降水时段出现在测墒前与测墒后有很大关系。土壤湿度具有明显的时间变化规律。逐月、逐旬土壤湿度变化曲线基本呈V形分布，土壤湿度低谷在6，7月，可分为春末夏初失墒期与秋季增墒期。以上结论与王劲松等［16］，王润元等［17］在西峰15第3期严丽等：陇东黄土高原农田土壤湿度演变对气候变化的响应区和陇东地区开展的土壤湿度研究所得出的结论较为接近，与王锡稳等［18］在黄土高原或西北地区对土壤水分所进行的研究得出的结论基本一致。

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关键词：CC2530；STM32F107；温湿度；定位

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095—1302（2012）10—0029—03

0 引 言

随着农业的发展，温室大棚的数量不断增多，规模不断增大，而对温湿度的控制是温室大棚的重要控制环节。温湿度的变化会影响到作物的生长，因此，需要将温湿度控制在适合作物生长的范围内[1]。对于大棚内温湿度的采集，传统的有线传输布线比较麻烦，成本高，可拓展性差。因此，本文提出了一种基于ZigBee无线通信技术的低成本、低功耗、扩展性好、安全性和可靠性高的无线大棚温湿度采集系统。

1 系统总体设计

为了实现对温室大棚的温湿度采集和空间定位，本系统采用基于Z—STACK协议栈组建的树形网。系统网络拓扑结构如图1所示。该无线网络由一个双核协调器、路由器以及终端设备组成。其中，协调器负责建立、维护和管理无线网络，并收集所有终端设备采集的数据，通过以太网与监护终端进行双向通信。路由器负责最佳路由路径的搜寻以及数据的转发，并作为定位系统中的参考节点。系统中的终端设备，作为定位系统中的盲节点，负责温湿度的采集。

2 系统硬件设计

2.1 双核协调器的设计

协调器是整个无线传感器网络的核心，是实现温湿度采集系统无线网络和有线网络融合的关键设备。图2所示为系统中的协调器硬件的整体框图。该协调器采用双MCU设计，其主控核心是采用Cortex—M3内核的STM32F107，负责协调器的数据存储、处理和远程传输。协处理器由CC2530和CC2591组成，负责协调器的无线收发功能。主控核心与协处理器之间通过串口通信，其接口电路如图3所示。双核协调器通过以太网连接到监控中心。STM32F107的以太网模块包括一个符合802.3协议的MAC（介质访问控制器）和专用DMA控制器。该模块支持默认的、独立于介质的接口（MMI）和精简的、独立于介质的接口（RMII）。本文通过AFIO_MAPR寄存器的选择位来选择RMII接口模式，电路选用集成并符合成本效益的快速以太网PHY控制芯片DM9161AEP。

2.2 温湿度采集电路

ZigBee无线终端对于空气温湿度的采集设备采用的是SHT10数字温湿度传感器，对于土壤温湿度采集设备同样采用的是SHT10土壤专用温湿度传感器。SHT10传感器芯片是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器包括一个电容式聚合体测温元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝链接。SHT10采用I2C与CC2530处理器进行数据通信。同时，在测量和通讯结束后，SHT10会自动转入休眠模式。因此，该传感器具有精度高、响应速度快、抗干扰能力强、功耗低等优点。SHT10与CC2530的接口电路如图4所示。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括上位机（监控中心）和下位机（ZigBee无线传感网络）设计两部分，本文重点讲述上位机对所采集温湿度数据的处理算法和下位机的软件设计方法。

3.1 温湿度监控程序设计

终端节点要对大棚中的空气温湿度和土壤温湿度分别进行实时采集，然后经每个子网的中心节点将这些温湿度数据输出，并由协调器接收数据，再经以太网传送数据到监控中心。系统将在监控中心服务器中建立自己的数据库，负责将上传的数据存储到监控中心预警数据库中，然后通过上位机决策软件自主设定符合作物生长的温湿度范围，并对数据进行综合分析以产生相应的预警和决策。其处理流程如图5所示。

3.2 下位机协调器软件设计

由于协调器要完成多任务处理、多任务调度、数据存储、TCP/IP通信协议以及无线通信协议等，需要实现的功能比较复杂，因此，本系统在协调器软件设计中加入了嵌入式实时操作系统uC/OS—II和嵌入式TCP/IP协议栈，以提高系统的运行效率和稳定性。uC/OS—II是一种可移植、可固化、可剪裁、占先式多任务实时内核，它具有占用空间小、执行效率高、实时性能优良和可扩展性强等特点。软件应用层、uC/OS—II操作系统、目标处理器硬件等各个模块之间关系如图6所示。

因为uC/OS—II操作系统不支持TCP/IP协议栈，所以，要实现以太网通信，需要移植LwIP（Light Weight IP）协议栈到STM32F107处理器上。移植版本为1.3.1的LwIP协议栈，主要是将LwIP源码文件中的api、core、include和netif文件移植到软件系统中，移植过程中需要修改的几个重要源码文件包括TcpTrans.c、TcpTrans.h、Netconf.c、bsp.c、opt.h和lwipopts.h。

协调器通过以太网与PC相连，负责接收由监控软件提供的各参考节点和移动节点的配置数据，并发送给相应的节点，同时，还将接收到的各节点所反馈的有效数据传送给监控软件[2]。其协调器软件处理流程如图7所示。

3.3 终端设备与路由器软件设计

因为温室大棚内的温湿度不会产生骤变，所以，为了降低终端设备的功耗，我们采用休眠—唤醒模式。终端节点完成初始化后将主动请求加入ZigBee网络，然后处于睡眠状态，每隔5 min唤醒一次终端设备，以便采集温湿度参数和定位信息，并将采集的数据通过ZigBee网络发送给监控中心，同时使设备进入休眠状态，等待下一次采集事件的唤醒。其工作流程如图8所示。

路由器是一种已知坐标的静态参考节点，首先应配置其坐标位置，这样可以响应终端采集设备的RSSI和坐标请求报文，为终端设备提供RSSI和坐标参考值，同时，路由器还要负责数据包的转发。图9所示是其工作流程图。

3.4 定位的实现

通过上位机决策软件判决时，如果某些终端节点采集的温湿度值不在预先设置的温湿度值范围，则应通过定位系统对该区域进行单独浇灌等处理，以有效地节约大棚的经营成本。本设计采用距离无关的定位算法，终端设备多次广播发送计算RSSI的请求报文，路由节点收到终端设备的请求报文后，立即向终端设备发送包含平均RSSI和自身坐标的报文，终端设备将平均RSSI值最好的那个路由器参考节点的坐标作为终端设备的定位位置。因为受到障碍物的影响，该定位算法难免会有误差，增加路由节点数量会有效增加定位精度，但不利于控制成本。

4 结 语

本文设计了一种基于ZigBee技术的大棚温湿度无线实时监控系统，同时介绍了该系统的软硬件设计方法，提出了由双MCU组成的高效双核协调器设计理念。实践证明，该系统对大棚内温湿度数据采集准确，系统运行稳定，且具有组网灵活、可拓展性好、能实时采集温湿度数据等优点，对于推动农业智能化发展，实现农业生产自动化等方面具有一定的现实意义。

参 考 文 献

[1] 余华芳，吴志东，林智涛.蔬菜温室大棚温湿度控制系统[J].安徽农业科学，2011，39（28）：17601—17603.

[2] 高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2009.

[3] 龚怡恒.基于ZigBee技术的无线温湿度采集系统设计[J].电子测试，2011（6）：82—85.

[4] 陶冶.基于ZigBee的森林火灾预警系统的设计与实现[D].兰州：兰州大学，2011.

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关键词：ZigBee技术；互联网技术；农田环境监测；wifi

1 概述

中国是世界上的人口大国，也是农业大国，随着时代的进步，传统的农业耕作方式已经无法跟上时展的脚步，如何提高农业生产水平，已成为必须解决的问题。面对这样的问题各国都已做了相应的研究，科学种田和精准农业就是大家所研究的重点。在传统农业生产中，由于缺乏有效的农田环境监测手段，农民无法对农作物生长做出及时的调整，仅凭经验，生产效率低下。获取农作物生长环境信息，是实施精准施肥、精确灌溉等的重要依据，也是提高农田生产效率的重要条件[1]。

2 系统总体设计方案

农田环境监测系统主要由数据采集、数据传输、数据显示及控制系统等组成。利用一些传感器对农田环境中的土壤温湿度、空气温湿度、土壤PH值、作物生长实时画面等环境因子进行检测，数据被处理之后由上位机通过无线网络传输给下位机，在电脑和手机终端上进行显示和报警，实现对农田环境的远程监测。

3 系统各模块设计

3.1 wifi传输的设计

无线数据的传输是系统的关键所在，系统中各个传感器节点所采集的数据主要由wifi模块来向终端传输[2][3]。各个节点的传感器将环境因子采集后首先传入到ZigBee节点模块，然后ZigBee节点模块再通过串口将数据传送到协调器，协调器与wifi模块串口相连将数据包通过wifi模块以相应的地址传送到Internet网络，最终由终端接收，实现远程数据的传输。

3.2 报警器的设计

报警器件为蜂鸣器，报警模块主要用于当农田环境（如空气温湿度、土壤湿度等）出现异常情况时，即达到所设定的阈值时，系统会给报警电路一个触发，使蜂鸣器发声。并将信号传回到上位机，提示用户及时采取措施。

3.3 温湿度采集的设计

空气温湿度和土壤温湿度是农作物生长的重要条件，它直接影响作物的呼吸作用。系统选用DHT11温湿度传感器对空气温湿度进行检测[4]，采用YL-69土壤湿度传感器模块，对土壤的温湿度进行检测。两者都可直接测量温度和湿度，并且每个传感器设备都进行了精准的温、湿度校准检测，能够实现更加精准的监测。

3.4 灌溉系统的设计

精准灌溉系统主要用于定量的对农田实施灌溉，这里主要涉及灌溉水量的控制，本系统采用HX711与称重传感器组合实施。HX711是24位AD，称重传感器检测水量的实时变化，并将输出的模拟信号通过HX711AD转换芯片转换为数字信号，将数字信号通过串行方式发送给51单片机，由此单片机对水量进行控制，辅助灌溉系统的液晶界面上会显示出水量的当前值和已用水量值。从而，精确的计算出用户的用水量。

4 系统软件和显示终端

本系统中采用IAR EW8051作为本系统的主要软件开发平台[5]。终端分为两个部分：PC终端和移动手持终端。采用C++语言编写APP作为手持终端和PC终端的监测平台，只要终端连入Internet网络并输入相应的地址，监测平台上便可显示出农田环境的各个参数，做到监控数字化。终端监测界面如图2。

5 系统测试

5.1 温、湿度采集测试结果

测试时通过将DHT11测试与高精度的传感器测试结果对比，比较数据，温度误差在0.1度之内，湿度误差最大在1.7%左右，数值完全符合测试要求。

5.2 系统总体测试结果

本系统的多个传感器测试结果相对精确，反馈速度快，当有环境因素发生变化时，报警系统检测及时，同时，当农田出现区域性的干旱时，灌溉系统能及时的定量的进行灌溉，实现了自动灌溉的效果。对于摄像头图像采集部分，摄像头底座可360度旋转，摄像头可对周围环境全方位监测，整体效果良好。

6 结束语

本设计针对当前热门的ZigBee技术进行了研究，从农田种植环境实际出发，设计了以CC2530作为主控制器，51单片机作为辅助控制芯片的基于ZigBee技术的农田环境检测系统，经检测，本系统达到了对农田环境的实时监测，可向用户实时反馈当前的环境情况并可根据环境的改变而做出相应的举措。

参考文献

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[3]章伟聪，俞新武.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011，3（6）：19-23.

篇5

本设计是以AT89S52单片机为核心，包括数字式温湿度传感器的一套控制系统。系统包括单片机、复位电路、空气温度检测、空气湿度检测、土壤温度检测、土壤水分检测、键盘及显示及控制电路等，对空气中的温湿度、土壤温度以及土壤水分等的采集是通过数字式传感器实现的。数字传感器监测到的数值通过JM12864F显示。同时，设置了4个按键控制卷帘电机，当监测到的数值超出了系统所设定数值的上下限范围时，单片机开始对电路进行控制。该系统支持节电模式设置。节电模式包括空闲模式和断电保护模式:空闲模式启动时，单片机停止工作，而RAM、定时器/计数器、串口、中断工作继续;掉电保护模式启动时，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位方可恢复正常。在掉电模式下，单片机的片内程序存储器允许重复在线编程，允许通过SPI串行口改写数据，并将8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上。此时，单片机AT89S52便成为一个高效的微型计算机，优点是成本低、应用范围广，并可以解决复杂的控制问题。

2系统硬件设计

1个大棚内布置了3个采集节点，采集节点对大棚内的空气温湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度以及CO2浓度进行采集。大棚的数据采集节点是通过单片机实现的。每一个节点对应一组采集模块，共有3组采集模块，每组采集模块由若干个传感器组成。数据采集模块的作用和功能是利用单片机对各个传感器进行不间断的巡回监测，并将模拟信号通过A/D转换模块转换为数字信号，将转换的数字信号传输到单片机上进行数据采集;单片机会将大棚内每个数据采集模块采集到的数据全都传输到无线网络的子节点上;子节点再将接收到的信息传给主节点。主节点再根据接收到的数据建立基于ZigBee的星型网络结构。可见，在这个传输的过程中子节点起到了对大棚内的环境参数进行采集以及转换的作用，主节点起到了一个调节器的作用。主节点把子节点传输给它的数据负责传输到该系统的控制核心部分单片机上，单片机对接收到的数据进行处理和分析进而来控制卷帘电机、喷灌系统的开启与闭合，合理地调控大棚内作物生长的最适环境。系统流程图。

2．1信息采集模块信息采集模块由单片机、数字温湿度传感器、土壤温度传感器、SM2802M土壤水分传感器和A/D转换5个模块组成，可实现对大棚内的空气温湿度、土壤温度、土壤水份、光照度及CO2浓度等数据进行实时的监测和控制。

1)单片机:AT89S52单片机的特点是功耗低，具有高性能的8位微控制器，采用其作为系统的核心部分。由于该单片机的芯片上具有8位的CPU和可编程Flash的性能，为系统提供了灵活有效的解决方案。此外，AT89S52单片机可降到0Hz静态逻辑操作，并支持两种可选择的节电模式软件，即空闲模式和掉电保护模式。单片机还具有重复写程序和记忆的功能，是一个高效的微型计算机，可解决一些复杂的控制问题。与其他单片机相比，需要的成本很低。

2)数字温湿度传感器:该传感器采用的是DB420型智能传感元件设计开发的，具有其他类似的传感器不具备的特点，如测量准确、工作稳定、使用寿命长等优点。传感器的探头采用铜烧结开孔护管，这种结构透气功能和防尘功能比较好。传感器内置的数字温湿度传感器可以将数字信号通过变送器内部的中央处理器和数模转化器转换成4～20mA电流信号输出出来3)土壤温度传感器:数字传感器采用的是DS18B20型数字传感器，是由美国的DALLAS半导体公司推出的。这种传感器与热敏电阻相比具有直接读出被测温度和可以根据实际要求实现9～12位的数字值读数方式的简单编程方法的优点，9位和12位的数字量分别是在93．75ms和750ms内实现的，且通过DS18B20读出和写入的信息只需一根单线接口完成。数据总线为温度的变换提供一个功率，无需外接电源，总线也可以为DS18B20供电。因此，使用DS18B20型数字传感器在简洁系统结构的同时，提高了系统的可靠性。4)SM2802M土壤水分传感器:SM2802M土壤水分传感器采用世界上最新的FDR原理制作，如图4所示。与TDR型和FD型土壤水分传感器相比，SM2802M土壤水分传感器不仅在性能和精度上具有可比性，可靠性与测量速度要比TDR型和FD型更具优势。光照度传感器的探头采用的型号是GZD－015)A/D转换模块:A/D转换模块采用的是8路的ADC0809，具有逐次渐近的特性。其供电方式是采用单一的+5V电压，同时片内具有8选1的锁存功能模拟开关。单片机采用中断方式的接口电路来控制ADC。信号的传输是通过光照传感器和CO2传感器把非电的物理量转换成电信号，然后把转换成的电信号送到模拟转换模块ADC0809中，再经过A/D转换后转换成数字信号，最后将转换成的数字信号送到单片机中进行相应的处理。单片机通过I/O口由经MAX232电平转换芯片把TTL电平转换成RS232电平，将转换的数据传送给上位机进行存储，并通过液晶显示器将存储的数据实时的显示出来，实现了人机交互的功能。为了提高单片机应用系统的可靠性和抗干扰能力，在单片机系统中加入了微处理器监控器芯片，集成了看门狗电路和掉电保护电路。

2．2ZigBee无线传输模块设计ZigBee网络具有以下9个优点:低功耗、低成本低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠和安全。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。该网络协议自上而下分为很多个层，具有代表性的是:物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层以及应用层。ZigBee网络3种角色的设备分别为:协调器、汇聚节点和传感器节点。Zig-Bee网络与单片机是通过星型网络连接的，向指定节点发送数据的时间是由单片机控制的;同时，单片机根据设置的温度上下限值来给控制器发送消息，当控制器接收到的消息之后立即传给星型网络，星型网络再传给单片机，然后由单片机做出相应的处理。

3系统软件设计

首先，将各种传感器以及外部设备进行设置，对温湿度的传感器和光照传感器进行上下限数值的设置，将其他外部的设备初始化。初始化之后温湿度传感器和光照传感器开始进行数据采集，由于采集到的数据是数字信号，可直接用单片机来监测环境值的变化;单片机将监测到的数值进行分析，将分析的温度和湿度以及光照强度的最终值传给液晶显示器进行显示;显示的分屏可以通过按键进行改变，也可以通过按键对温度和湿度以及光照的上下限值进行调整。当温湿度以及关照强度值超过了上下限值的时候，单片机会送出一个控制继电器动作的标志信号，进而达到控制效果。软件主程序流程图。

4结语

篇6

摘要：我国作为农业大国，农业生产在国民经济中有着举足轻重的地位。近些年来，我国温室产业发展迅速，随着温室种植技术的不断推广和普及，中小农户温室种植越来越多，但由于我国设施农业的现代化应用技术普及较为缓慢。本文对温室环境系统特点和控制进行了分析与研究，以PLC为控制核心提出了温度环境控制系统的总体设计思路，为相关工业设计提供了理论参考。

关键词：PLC技术；温控系统；智能控制

一、引言

我国的温室自动控制相关系统化研究起步较晚，设施农业面积占世界设施农业的70%，人均面积为268m2，仅次于西方农业大国。我国设施农业经改革开放以来大量投入人力物流及相关政策导向，于80年代末期，90年代初才进入设施农业高速发展时期，结合我国国情及特点规模化和集约化是主要的发展方向。

二、环境控制系统设计

1、目标设计

控制目标设计是温室环境控制系统设计首先要解决的问题，控制目标将直接决定控制系统针对的服务群体、推广应用应用成本，是后续控制措施、控制方案、控制系统硬件、软件设计的根本，起着纲领性的作用。

结合当地实际情况以杨凌农业示范区小型农户的需求特点本系统的设计需求为控制系统精度高、控制功能灵活、可扩展性强、人机界面友好、简单可靠的一种温室控制系统。本文研究一款一般设施农业种植户、中小农业企业用得起的温室环境控制系统，在选择温室环境控制对象时，主要根据实际情况，适可而止。利用PLC技术实现逻辑控制、组态触摸屏实现人机交互界面、高精度传感器及通用电气设备，实现温室环境参数的闭环控制。

2、措施设计

控制措施是实现控制目标的具体手段，为了实现温室大棚内土壤湿度、空气温度、空气湿度、光照度等环境参数的智能调控的控制目标，设计技术上可行、经济上合理的控制措施至关重要。具体措施设计如下：

（1）土壤湿度控制措施

采用滴灌+喷灌方式实现。具体到温室大棚中，如果有作物分区种植，可根据作物生长具体需求分别采用滴灌或喷灌方式。分作物（分片区）分别采用滴灌或喷灌，正好可以发挥PLC输入输出易于扩展、程序方便修改的优势。

（2）空气温度控制措施

采用通风+加温方式实现。即温度高时采用通风方式降温，温度低时启动加温设备加温。

在温室建设中根据大棚规模面积、作物经济型选择合适设备。

（3）空气湿度控制措施

采用通风+喷灌方式实现。即湿度高时采用风机通风方式排湿，湿度低时利用喷灌设备喷雾增湿。

（4）光照度控制措施

采用红、蓝两色LED补光灯带实现。灯带红蓝光配比根据作物需要现场选配并安装敷设。

3、温室控制系统整体结构设计

根据要实现的控制功能，设计的控制系统整体结构如图1所示。控制系统包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照度传感器、PLC可编程控制器、模拟量处理模块、触摸屏、植物保温灯、植物补光灯、喷灌泵及设备、滴灌泵及设备等。其中空气温湿度、土壤湿度、光照度等传感器为系统提供温室环境参数信息；MCGS触摸屏做为人机操作界面，实现参数的调整和监控；三菱可编程控制器（PLC）是整个控制系统的核心；控制系统中有5个被控设备：植物保温灯、LED植物补光灯、通风风扇、喷灌泵、滴灌泵。

基于PLC的温室环境控制系统具有自动补光、自动滴灌、自动喷灌、自动保温、自动通风五大功能。系统有手动和自动两种运行模式，在手动模式下，可手动拨动开关实现补光、滴灌、喷灌、保温、通风的功能；在自动模式下，系统可由PLC控制，根据事先设定好的温度、湿度、光照条件要求实现自动补光、自动滴灌、自动喷灌、自动保温、自动通风的功能。

该系统由空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照度传感器、PLC可编程控制器、模拟量处理模块、触摸屏、植物保温灯、LED植物补光灯、通风风扇、喷灌设备、滴灌设备等组成。植物保温灯用于提高温室环境的温度，当温室内的温度低于设定值时会自动开启，从而提高温室的温度；LED植物补光灯可在夜晚为温室农作物增加光照时间，加快其生长速度；通风风扇在温室环境温度超限或湿度超限时开启，可起到降低温度、湿度的作用；喷灌设备在空气湿度低于下限时开启，可增加空气湿度；滴灌设备在土壤湿度低于下限时开启，可增加土壤湿度。

系统中使用的空气温湿度传感器用于检测温室环境的空气温度、空气湿度；土壤温湿度传感器用于检测温室环境的土壤温度、土壤湿度；光照度传感器用于采集温室环境中的光照度信息。系统的控制核心是FX2N-32MR三菱可编程控制器PLC，用于处理从传感器采集的温室环境内的温度、湿度、光照度信号，完成相应的运算和处理；MCGS触摸屏是人机交互界面，不仅可将控制系统的如温度、湿度、光照度等各种的信息显示在触摸屏上，还可以由用户自由设定温室环境的空气温度上下限、空气湿度上下限、土壤温度上下限、土壤湿度上下限等环境参数。

三、结束语

本文主要介绍了温室环境控制系统的控制目标、控制措施、控制系统整体结构设计过程，并分析了控制系统应该具备的功能。控制目标是实现温室大棚内土壤湿度、空气温度、空气湿度、光照度等四个温室环境参数的智能调控，实现这四个环境参数智能调控的措施是滴灌、喷灌、通风、加热和补光等五项。

参考文献

[1]高职富.温室环境控制技术的现状及发展前景[J].中国市场，2007：76-77.

篇7

本设计主控模块采用基于Cortex-M3内核的LM3S2948芯片，其支持最大主频为50MHz的ARMCortex-M3内核。该模块为本设计的核心模块，其和上位机之间通过RS232总线进行串行通信，通过RS485总线同各个数据采集模块和执行机构进行通信，用以协调各个部件的工作状况。系统为各个模块分配不同的地址，方便对各个部分的数据进行提取和控制各个执行机构。采用模块化设计和RS485总线标准方便施工现场安装和系统控制。另外，在核心模块上提供简单的LCD12864液晶进行执行机构状态及数据显示，用以在手动控制的情况下及时观察到设备的运行情况。

二、硬件电路设计

（一）硬件的选取

本设计人机交互界面采用电脑安装组态王6.55版软件作为上位机软件，6.55版组态王适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短。主控芯片采用LM3S-2948芯片，集成CAN控制器、睡眠模块、正交编码器、ADC、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器，I2C、CCP等外设。传感器包括温湿度传感器、土壤温湿度传感器、CO2气体传感器。温湿度传感器采用瑞士盛世瑞恩公司生产的SHT10温湿度传感器，该传感器是一款温湿度复合传感器，含有已校准数字信号输出。传感器内部包括测湿元件和测温元件；土壤型温湿度探头采用原装进口温湿度传感器为核心部件，可直接连接单片机使用。全量程标定，两线数字输出；湿度测量范围：0～100%RH；温度测量范围：-40～+123.8℃；可完全浸没。

（二）CO2气体检测

在CO2气体检测中采用MG811型CO2气体传感器，该传感器采用固体电解质电池原理，当传感器置于CO2气体中时，该传感器元件的加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，元件相当于一个电池，其两端会输出一个电压信号，其值与能斯特方程符合较好。在本设计中自行设计了一个CO2发生装置，通过控制伺服阀门来控制反应所产生的气体量，使其达到适合大棚内作物生长的CO2浓度为800ppm至1500ppm百分比浓度，从而达到植物生长的最佳浓度。

（三）光照强度检测

光照强度是植物的生长速度的一个重要参数，即植物表面吸收光辐射能的量，并非取决于光源数量。本设计通过光敏电阻检测温室外环境光线强度，并通过A/D转换输入单片机，以便于系统自动控制，温室内部照明的意义在于延长一天内足够多的光照强度，对生长期和秧苗质量有巨大的影响。使用人造光源时，我们必须要选择最接近于满足植物光合作用条件的自然光。研究表明在波长为400~520nm的蓝色光和波长为610~720nm的红色光对光合作用影响最大。本设计采用红色和蓝色的高亮LED作为补充光照的光源。通过光敏电阻感知环境的光强度，从而确定是否补光，并且还可以人工设定补光的时间。

三、系统软件设计

系统软件采用模块化设计，系统上电后各个模块开始自身初始化操作，初始化成功后通过485总线向主控模块发送初始化成功数据；主机上电后驱动工业触摸屏进行显示操作，并且等待各个模块发送初始化成功数据，等待30秒后进入正常工作状态，以免造成启动失败，如果有模块异常产生，则会在触摸屏上显示，并发出报警信号，以便操作者检修。

四、结语

篇8

【关键词】控制系统；PLC；温室

农业从古至今一直是我国经济基础，在国家发展中占有重要的地位。随着人们生活水平的提高，人们对农作物的生命期、品种都有了更高的要求，如四季能吃到绿色菜以及买到想要品种的鲜花。因此温室现在越建越多，建温室的重要保证参数就是植物的生长要素，即光、温度、湿度和CO2，本论文就是论述如何用PLC技术对温室进行控制。

一、确定控制系统方案

（一）控制对象

1.温度

植物生长的温度是在一个范围内，虽然最适宜温度植物长得很快，但是往往因为消耗有机物太多，会出现长的细长现象。控制系统的控制温度范围要略低于植物最适宜温度。

2.湿度

空气的湿度太大会造成之无病虫害，但是要保证空气湿度低的同时要有充足的水分由土壤供给植物。

3.光照

植物生长需要光照，这样才能进行光合作用，不同植物的光补偿点不同，因此事宜温度范围也不同，同时人们可以控制光照时间和强度来控制植物的生长速度。

4.CO2

植物生长需要光合作用，光合作用需要的一个物质是CO2，植物的光合作用随着CO2的浓度增大而增强，但是浓度过高反而会抑制植物光合作用，因此二氧化碳浓度的控制范围要与农作物相适应。

（二）PLC控制系统

PLC是可编程逻辑控制器，它可以通过编程方式完成传统的继电器-接触器的逻辑控制，PLC的控制系统性能稳定，价格便宜，开发容易，性价比高，缺点就是人机交流困难。

（三）控制系统的方案确定

本控制系统方案为各参数的自动控制，当传感器检测的温湿度、光照以及CO2超过范围时，PLC控制系统会发出指令，控制执行机构如天窗的电动机等动作，使温室参数达到用户要求。

二、控制系统软硬件设计

（一）控制要求

随时检测控制对象温湿度、CO2浓度和光照参数，并保证参数在控制范围内。控制系统设计流程如图1所示。

（二）硬件设计

1.根据控制系统输入输出的点数，对PLC型号进行选择

（1）PLC开关量点数确定

（2）根据PLC开关量点数确定PLC型号

由上表可得输出点13个，输入点14个，考虑到应有输入输出端子的余量，选择S7-200cpu226型，其有24/16个I/O口。

2.模拟量模块的选型

对于温湿度、CO2和光强传感器都输出模拟信号，需要PLC扩展模拟量模块。温湿度传感器分别要在温室的上下南北四处检测，因此输入10路模拟量信号，因此选择EM235模块3个（此模块4AI/1AO）。

3.温湿度、光照以及CO2检测元件选型

选择HMD40温度传感器，Poi88-c光强传感器，TGS4160型CO2传感器以及A1203型湿度传感器。

4.进行电路设计

控制电路简图如图2所示，主电路同传统继电器-接触器电路。

（三）软件设计

以光照的控制为例，比较光照传感器的值，如果超过上限，则打开遮光帘，如果在范围内，则遮光装备动作不变，低于下限值收起遮光装备并且打开光照灯。

最后，要进行整机调试。调试时先启动控制电路，断开主电路，等确定程序和控制电路无误后，在进行整机调试。

参考文献

篇9

关键词：51单片机；智能灌溉；风速传感器；温湿度传感器

中图分类号：TP273 文献标识码：A

0.引言

每当夏季来临，学校草坪上，公园草地上等地方总能看到许多喷头不停地转圈，喷洒出水雾，滋润着花草。然而，市面上应用的喷洒系统存在着很多的不足之处。大体上存在三方面的缺陷。首先，市面上的喷洒系统喷水覆盖的半径是固定的。这将严重导致土壤水分的不均匀。其次，喷灌系统的喷灌时间一般为系统预先设定好的固定时间段，或人为控制喷洒时间。人们只能靠经验满足花草相应的水分需求。一方面，这导致花草的水分需求未能得到合适的供给，另一方面，这很可能造成水资源的浪费或人力的浪费。最后，市面上喷灌系统所喷洒的水的形态一般分为雾状或者水柱状。雾状水，能够均匀地洒落在喷灌区域，更好地让花草吸收，然而却受风力影响比较大，容易被吹散；柱状水，单位体积的水量较大，不容易受风的干扰，其缺点是，喷洒水的区域相对集中。

为了克服以上问题，本文设计了一个基于51单片机的智能喷洒系统，能够根据土壤湿度的实时情况动态调节喷头喷水的半径；根据环境风速的大小，动态选择采用F状喷洒还是柱状喷洒的方式进行喷灌；当土壤的湿度达到预先设定的阈值条件下，喷灌系统能够自动关闭，不需要人工干预。

1.系统总体框架设计

本文设计了一个基于51单片机的智能喷洒系统。选用型号为STC89C51的单片机作为控制系统的核心，采用DHT11温湿度传感器获取土壤的湿度和温度，风速的大小值则是由BCQ-FS-TTL8三杯风风速传感器采集。同时，喷头电机由普通直流电机构成，并搭配L298N电机驱动，通过单片机输出PWM波控制电机的方向及转向。整个系统的框架图如图1所示。

2.硬件设计

2.1 DHT11温湿度传感器

DHT11传感器采用单总线结构（电路结构简单，所需总线单元较少），与51单片机进行数据的通信和同步。该传感器湿度的测量范围为：20%～90%RH，测湿精度为±5%RH；同时，温度的测量范围为：0～50℃，测温精度为±2℃。

单片机采集一次DHT11传感器数据的时间大约为4ms，每次传输40bit的数据。40bit的数据格式包括8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。其中，8位校验和的数据为8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据所得结果的末8位，用于检验数据的传输是否正确。

2.2 BCQ-FS-TTL8三杯风风速传感器

三杯风传感器结构相对简单，通过3片小碗状口来捕获风速的强弱，风速越大，3片小碗状口转速越快，反之，其转速越慢。工作原理大致如下：每转一圈，信号引脚输出8个脉冲，单位时间内所产生的脉冲个数除以6，即为对应的风速值（单位是m/s）。启动风力为：0.2m/s，即风速超过阈值0.2m/s，信号引脚才会有脉冲输出。

该传感器共3根引脚，一根电源线接VCC（+5V），一根地线接GND，（与单片机共地），另外一个信号线接单片机的P3.2（INT0外部中断），目的是为了通过外部INT0中断测量风速所对应的脉冲个数。

此外，为了增加传输的距离，需要上拉一个10K左右的电阻，电阻的一端接在VCC电源线上，另外一端接在信号引脚上，目的是为了增大驱动电流。

2.3 L298N电机驱动

L298N电机驱动为2路H桥驱动，可以同时驱动两个直流电机（即可同时控制两个喷头，若想要控制多个喷头，可以采用并联的方式，把多个喷头分成2组）。

该驱动模块共有4根控制引脚，与51单片机分别相连。其中，IN1和IN2控制电机A，IN3和IN4控制电机B。值得注意的是L298N驱动需要较高的外接电源（+12V～+24V）进行供电。

该驱动具有两种工作模式，一方面，当使能ENA（控制电机A）、ENB（控制电机B）时，可以分别从IN1、IN2输入PWM（Pulse Width Modulation）信号来控制电机A的转速和方向。同时，可以分别从IN3、IN4输入相同PWM脉冲信号来控制电机B的转速和方向。另一方面，若禁止ENA和ENB使能时，即可通过单片机向IN1、IN2、IN3、IN4四个引脚输入逻辑1和逻辑0电平来控制电机A和电机B，其中，IN1（IN3）输入为逻辑1，IN2（IN4）输入为逻辑0，电机A（B）正转，IN1（IN3）输入为逻辑0，IN2（IN4）输入为逻辑1，电机A（B）反转，其他方式下，电机A（B）均不转。

2.4 直流电机

直流电机具有两个引脚，分正极引脚和负极引脚。其中，若正极引脚接恒定逻辑高电平，负极引脚接恒定逻辑低电平，电机正转；若正极引脚接恒定逻辑低电平，负极引脚接恒定逻辑高电平，电机反转；若正负极均接恒定逻辑高电平或者恒定逻辑低电平，电机不转。

当然，也可以往正负极输入PWM信号，从而控制电机的转速。PWM（Pulse Width Modulation），简称脉宽调制，信号频率不变，脉冲高电平的宽度可以调节，不同占空比（高电平的时间占整个周期T的比重）的脉冲信号作用于直流电机，单位时间内等效的电压（电流）值大小不同，电机的转速正比于电压（电流）值的大小，因此，单片机产生的PWM脉冲信号，可以控制直流电机的转速。

3.软件设计

软件部分的设计可以采用模块化的思路，采用C语言进行程序的编写。主要包含定时器模块，风速传感器模块、温湿度传感器模块、L298N驱动+直流电机模块。基于51单片机智能喷洒系统的流程图如图2所示。

图2展示了整个系统软件的流程。在主函数Main中循环执行整个系统的操作。其中，采用定时器0中断完成精确的定时操作，每隔5min（人为设定参数）读取DHT11温湿度传感器的数据，定时器0工作在模式1，为16位定时计数器，单片机接收到湿度数据，并与预先设定好的湿度阈值进行比较，若湿度低于阈值，控制L298N驱动，使电机继续维持转速，若接收的数据大于湿度阈值，则控制L298N驱动，即单片机往L298N驱动控制引脚（控制电机的引脚）输入PWM脉波，从而调节电机的转速，使得喷头喷洒的水覆盖不到相对于的土壤面积。

同时，采用定时器1完成10min的定时（工作方式同定时器0），系统读取三杯风风速传感器的风速值，然后与预先设定好的风速阈值（例如，6级风速，10m/s）进行比较，若风速大于阈值，则控制继电器，使其工作在水柱状喷洒模式，反之，则工作在默认工作模式，即水雾状工作模式。

结语

基于51单片机的智能喷洒系统克服了市面上传统喷洒系统的诸多弊端，在充分满足花草水分需求的条件下，节约了宝贵的水资源。同时，系统一旦初始化完毕（人们提前设定好参数，如风速的上限阈值，土壤湿度的下限阈值，每隔多长时间读取传感器的数值，即设定相应的定时器参数等等参数），就不需要人为干扰，提供了极大的便捷式服务。

⒖嘉南

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篇10

关键词:CAN总线 SHT11 虚拟仪器 LabVIEW

1 研究背景

伴随着科学技术的迅速发展,我国农业也逐渐地从传统农业向高产、 优质、 高效为目的的现代化农业转变。而蔬菜大棚,自然也离不开现代化的科学技术。通过国内外大量的科学实验和生产的实践证明,环境的控制对蔬菜生产起到非常重要的作用。对于蔬菜大棚内环境的控制主要是对环境温度、湿度和土壤水分等进行测量和控制。

在国内,较多的是单因子监测控制,控制主要采用传统的一些方法,精度和稳定性方面与国外还有一定差距。在国外,目前,荷兰、以色列、美国等发达国家可以根据温室作物的生长要求和特点,对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控。而目前,现场总线控制系统是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术。本文采用CAN总线设计了一个高精度、高速度、稳定可靠的虚拟测控网络。

2 系统设计

2.1 网络平台虚拟测控系统设计

分析系统的结构,我们把网络分为两层:顶层为处于集中管理地位的主站节点;下层为处于现场执行与监测的从站节点。通过CAN总线适配卡或转换卡(该系统采用微型并口CANmini),采用总线型拓扑结构,把现场总线控制系统中主站和从站(测控装置)互连起来,并按现场总线的物理层、数据链路层、应用层协议,实现网络的功能。本测控系统同一时间需要监控的参量主要有电机蔬菜大棚的实时温度和湿度,下面从两个方面介绍发送/接受协议。

(1)上位机发送下位机接受协议。在BasicCAN模式下,CAN总线每帧最多可以携带8个字节的数据,如下表1所示。数据源ID代表本桢数据的来源,即上位机ID。字节2(命令字)代表上位机给下位机发送的命令,当命令字设定为各个参数时对应的数据由字节3、字节4表示,如表2所示。下位机接受到上位机发送来的数据后,将根据下述各表格决定执行的动作。

(2)下位机发送上位机接受协议。下位机通过CAN总线向上位机发送的数据包括温度和湿度信息,如表3所示。上位机接受到下位机发送来的数据后将按照此下表来解析数据。

虚拟仪器主要是加强了软件在仪器中的应用,尽可能应用计算机软件去取代传统仪器中的电路或元件,但是测量中信息的获取仍然离不开硬件的支持。考虑到系统的灵活性和通用性,本系统的硬件的构成方式是由上述智能节点和上位机监控程序就可以建立一个完整的虚拟仪器监试网络,即:“PC机+CAN总线通信+N个智能节点 +N个蔬菜大棚”。 该系统是将下位机智能节点采集到被测量转换成数字信号,在计算机软件控制下,通过CAN总线将数据发送到上位机,调用数据处理模块计算原始数据,实现对采集数据的在线处理和离线处理。而上位机则通过CAN总线向下位机发送各种控制命令,以实现对蔬菜大棚实时控制的目的。

2.2 上位机监控系统设计

本文采用LabVIEW来开发上位机监控程序,实现蔬菜大棚温湿度数据采集、数据实时显示、数据存储、报表的生成与打印等功能。为实现监控系统软件的可扩展和易维护性,需要在系统软件设计阶段仔细设计软件结构,使系统软件能够适应新的硬件模块和算法,采用通用框架处理方法把软件系统分成四个部分:系统配置、数据采集与处理、数据存储及报表生成与打印四个部分。该系统功能框图如下:

其中:系统配置包括设备连接、启动/复位CAN和参数设置;数据采集与处理包括数据采集和数据处理功能模块;数据库管理软件部分包括建立数据库的建立、创建数据库表及数据库中数据的存储三部分;报表生成与打印部分包括生成和打印报表两部分。

2.3 下位机智能节点的硬件电路设计

下位机智能节点是由温湿度数据采集模块和通信模块组成,通过对每一个蔬菜大棚进行温湿度测量,将BCD码为00到70的温度采样值和00到99的湿度采样值(分别对应为温度-20℃到50℃和湿度0%到99%RH),在液晶显示屏上显示出来。同时通过CAN总线实现上下位机之间的实时通信,得到各个大棚温湿度的最新采样值,并将数据进行储存和处理,以备查询分析及打印报表等。要求系统温湿度偏差小于5℃,这样才能更加准确的提供一个良好的温湿度环境,从而适合蔬菜生长。其硬件电路图如下:

图2 下位机智能节点硬件电路

3 结语

本文设计了基于CAN总线的蔬菜大棚温湿度测试网络,它是由下位机进行数据采集、CAN总线通信和上位机实时监控管理构成一套完整的虚拟仪器测试网络。该网络具有操作简单、可靠性高、可维护性好等特点。

参考文献

[1] 刘君华等.基于LabVIEW的虚拟仪器设计.北京:电子工业出版社,2003.

[2] 饶运涛等.现场总线CAN原理与应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.

[3] 周凤余等.CAN总线系统智能节点设计与实现.北京:微计算机信息,1999.6.

[4] 曹军.智能温室控制系统[D].东北林业大学硕士学位论文,2001.