棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及主要器件選擇
來源： http://www.pfyin.com/ 類別：實用技術(shù) 更新時間：2013-04-19 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網(wǎng)提供】 設(shè)計一套棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測棚內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，并將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)由無線模塊傳輸并存儲到上位機。該系統(tǒng)可以實時對溫濕度，土壤水分等參數(shù)進行監(jiān)測并控制相應(yīng)的執(zhí)行器對棚內(nèi)溫度，水分等參數(shù)進行調(diào)整以達到植物生長最佳狀態(tài)。
根據(jù)需求分析，采用模塊化和分層次設(shè)計，把系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。最后把硬件和軟件集成在一起進行調(diào)試。
1、棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計
設(shè)計一套棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測棚內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，諸如二氧化碳檢測儀對棚內(nèi)二氧化碳含量進行監(jiān)測，并將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)由無線模塊傳輸并存儲到上位機。該系統(tǒng)可以實時對溫濕度，土壤水分等參數(shù)進行監(jiān)測并控制相應(yīng)的執(zhí)行器對棚內(nèi)溫度，水分等參數(shù)進行調(diào)整以達到植物生長最佳狀態(tài)。根據(jù)需求分析，采用模塊化和分層次設(shè)計，把系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。最后把硬件和軟件集成在一起進行調(diào)試。
2、MSPF430單片機
核心芯片選用MSP430單片機，MSP430單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，它根據(jù)不同的應(yīng)用提供不同型號的單片機，這里我們選用單片機的型號是MSP430F149，它具有16位RSIC結(jié)構(gòu)，通過采用不同的時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的時間內(nèi)從低功耗轉(zhuǎn)到激活工作模式。它的主要特點：（1）超低功耗。在1.8~3.6V的電壓，1MHz時鐘頻率下運行，耗電電流在0.1~400uA之間，該系列單片機具有16個中斷源，并可以嵌套使用，使用中斷請求將CPU從低功耗模式下喚醒只要6us的時間。（2）處理能力強。該系列單片機為16位的RSIC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，簡捷的指令，大量的寄存器，較高的處理速度，是傳統(tǒng)51單片機遠遠達不到的。（3）豐富的外設(shè)資源。主要的外設(shè)有定時器，看門狗，比較器，串口，硬件乘法器，ADC模塊等外設(shè)。（4）調(diào)試方便。該系列單片機一般是基于FLASH型的并提供JTAG口，因此能很好地實現(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，用來采集土壤溫度。從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，使作物能更好的生長。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)。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好地解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達到較高的測量精度。另外，一般監(jiān)控現(xiàn)場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，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，在實際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果。
4、軟件設(shè)計
用C語言對單片機按照模塊化的思想進行編譯，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)字信號傳感器和模擬信號傳感器，數(shù)字信號傳感器按照其相應(yīng)的時序?qū)ζ渚幊�，把�?shù)據(jù)直接傳到單片機即可。模擬信號傳感器輸出模擬信號，需對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在傳入單片機，430單片機內(nèi)置AD模塊，將模擬信號傳感器接到帶有AD轉(zhuǎn)換功能的I/O引腳上，對單片機的AD模塊進行編程設(shè)置即可。
針對溫室大棚中的環(huán)境進行監(jiān)測，通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)對溫室中的環(huán)境做相應(yīng)的調(diào)整以適合作物生長的最佳條件，并與上位機進行無線通信，把采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機，在上位機上可以顯示數(shù)據(jù)并可對下位機進行控制，同樣可以用手機進行采集數(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，把系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。最后把硬件和軟件集成在一起進行調(diào)試。
1、棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計
設(shè)計一套棚室農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測棚內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，諸如二氧化碳檢測儀對棚內(nèi)二氧化碳含量進行監(jiān)測，并將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)由無線模塊傳輸并存儲到上位機。該系統(tǒng)可以實時對溫濕度，土壤水分等參數(shù)進行監(jiān)測并控制相應(yīng)的執(zhí)行器對棚內(nèi)溫度，水分等參數(shù)進行調(diào)整以達到植物生長最佳狀態(tài)。根據(jù)需求分析，采用模塊化和分層次設(shè)計，把系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。最后把硬件和軟件集成在一起進行調(diào)試。
2、MSPF430單片機
核心芯片選用MSP430單片機，MSP430單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，它根據(jù)不同的應(yīng)用提供不同型號的單片機，這里我們選用單片機的型號是MSP430F149，它具有16位RSIC結(jié)構(gòu)，通過采用不同的時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的時間內(nèi)從低功耗轉(zhuǎn)到激活工作模式。它的主要特點：（1）超低功耗。在1.8~3.6V的電壓，1MHz時鐘頻率下運行，耗電電流在0.1~400uA之間，該系列單片機具有16個中斷源，并可以嵌套使用，使用中斷請求將CPU從低功耗模式下喚醒只要6us的時間。（2）處理能力強。該系列單片機為16位的RSIC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，簡捷的指令，大量的寄存器，較高的處理速度，是傳統(tǒng)51單片機遠遠達不到的。（3）豐富的外設(shè)資源。主要的外設(shè)有定時器，看門狗，比較器，串口，硬件乘法器，ADC模塊等外設(shè)。（4）調(diào)試方便。該系列單片機一般是基于FLASH型的并提供JTAG口，因此能很好地實現(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，用來采集土壤溫度。從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，使作物能更好的生長。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)。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好地解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達到較高的測量精度。另外，一般監(jiān)控現(xiàn)場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，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，在實際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果。
4、軟件設(shè)計
用C語言對單片機按照模塊化的思想進行編譯，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)字信號傳感器和模擬信號傳感器，數(shù)字信號傳感器按照其相應(yīng)的時序?qū)ζ渚幊�，把�?shù)據(jù)直接傳到單片機即可。模擬信號傳感器輸出模擬信號，需對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在傳入單片機，430單片機內(nèi)置AD模塊，將模擬信號傳感器接到帶有AD轉(zhuǎn)換功能的I/O引腳上，對單片機的AD模塊進行編程設(shè)置即可。
針對溫室大棚中的環(huán)境進行監(jiān)測，通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)對溫室中的環(huán)境做相應(yīng)的調(diào)整以適合作物生長的最佳條件，并與上位機進行無線通信，把采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機，在上位機上可以顯示數(shù)據(jù)并可對下位機進行控制，同樣可以用手機進行采集數(shù)據(jù)和控制。
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