基于单片机的蔬菜大棚农业自动化浇灌系统研究设计.docx
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基于单片机的蔬菜大棚农业自动化浇灌系统研究设计
基于单片机的蔬菜大棚农业自动化浇灌系统研究设计
摘要:
随着农业自动化水平的提高.农业浇灌慢慢进展到自动浇灌系统。
为此,介绍一种基于单片机和射频模块nRF24Lol来实现无线数据传输,利用多点湿度传感器检测环境湿度的蔬菜大棚自动浇灌操纵系统。
系统由主站和分站组成,主站和分站能够通过无线射频模块互换实时湿度数据,并由主站处置后发送操纵信号操纵分站的电磁阀实现自动浇灌。
关键词:
农业自动化浇灌系统;AvR单片机;无线射频技术
O引言
随着我国农业自动化水平的提高,农业浇灌由以往的人工浇灌进展到此刻的自动浇灌,而且在多种地形和条件下利用,成效都超级不错。
可是,这种浇灌系统也有很多缺点,如不能检测当前环境的湿度,只是依照浇灌时刻距离来进行操纵;碰到比较大的种植面积,布线超级复杂,电缆需要做防水爱惜,制作本钱和保护本钱都超级高。
因此,考虑到农业浇灌的特殊性,本文提出了一种新型的自动浇灌系统,适用于多种农业种植环境,以蔬菜大棚自动浇灌系统为例,从硬件和软件设计方面分析:
第一,布线方面不采纳传统的线路铺设,而采纳无线射频模块传输数据和接收数据,具有较大的灵活性,并节约本钱;第二,通过利用高性能AVR单片机具有的sPI方式,来操纵发送和接收无线传输模块传输的数据,并靠得住地操纵电磁阀动作,利用单片机操纵具有较强的实时性,而且能够移植到各类实时操作系统中实现;最后,蔬菜大棚室外降雨等因素能够忽略,使程序加倍稳固,并能有效的节约保护本钱。
1系统硬件设计
本系统由主站和分站组成点对多点的无线数据传输网络,其中1个主站,多个分站,本设计中以3个分站为例,每一个分站上其他电路由一个湿度传感器、电磁阀驱动电路和电磁阀组成。
主站与分站之间距离理论不超过lkm,实际50m即可。
主站和分站的核心都是利用AVR单片机操纵操作,主站单片机:
要紧接收湿度数据并处置,然后发送数据到相应分站,分站的单片机接收到数据后响应主站命令,从而操纵电磁阀动作。
1.1AVR单片机
本设计中采纳ATMEL公司8位单片机AT.m89a8L。
该单片枧是ATMEL公司2002年第一季度推出的一款新型AVR高级单片机,ATmega8L后面的“L”代表的是一款能够工作在低电压状态的单片机,工作电压范围在2.7~5,5V,ATmega8L内部集成了8kB在系统自编程FLAsH,可擦写次数达到了10000次,具有独立的锁定为可选Boot代码区‘,这能够通过片上Boot程序实现系统内编程实现读写的同时性。
片上还集成了512字节的EEPROM,擦写次数也达到了10000次,lkB片内的sRAM能够大幅提高编程的靠得住性,用户能够通过对锁定为进行编程以实现用户对程序的加密,使程序难以破解。
ATmega8L具有丰硕的硬件接口电路,具有硬件sPI和IsP接口,AT.mega8L是基于先进的RIsc结构的8位单片机,由130条指令组成,大多数指令执行的时问为单个时钟周期,内部具有32个8位通用工作寄放器组成,AT—mega8L单片机主若是将32个通用寄放器和130条指令结合在一路,所有的通用寄放器都与ALu(算术逻辑单元)直接相连,实现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问(读写)两个独立寄放器的操作。
这种结构提高了代码效率,使得大部份指令的执行时刻仅为一个时钟周期。
因此,AThega8在16MHz的工作状态下能够达到16MIPs的性能,运行速度比过去基于cIsc结构的5l单片机高出近10倍。
由于AT—mega8L是不带ⅡAG接口的,因此要对ATmega8L在线仿真另接一个仿真器或采纳ATmega88来做前期的开发。
批量生产时可将程序移植到A1hega8,并在程序中的寄放器名称做修改。
A1hega8/88最小系统及下载电路如图1所示。
本电路中的电源部份是依照nR砣4LDl的典型电压3.3V匹配电源,即单片机部份和无线射频模块供电也是通过3.3V供电。
另外,IsP下载电路部份是提供程序下载调试用的,方便系统开发设计及往后升级用。
1.2nRF24LJDl及接口电路
nRF24加l是Nordic公司的一款无线芯片,该模块特点是在2.4GHz全世界开放IsM频段免许可证利用,即该频段一样为民用通信、遥控和数传等不需要申请许可证就能够够利用的。
该芯片最高工作速度达到了2Mbps,高效G聆K调制,抗干扰能力较强,适合工业操纵场合,因为是免许可证的频段,因此在同一地域利用该频段的设备也相对多一些,为了幸免误操作,芯片内部固有126个频道,知足多点通信和跳频通信的需要,而且内置硬件的cRC检错和点对多点路由地址操纵。
该芯片最大的特点仍是采纳软件设定地址的功能,即收到本机地址才会有输出数据,那个进程是通过中断源的形式完成的,能够直接接在各类单片机利用,专门是支持硬件sPI的单片机,编程加倍方便,其引脚散布及功能如图2所示。
cE:
发射模式和接收模式使能引脚;
csN,scK,M0sI,MIs0:
sPI功能概念端,要紧通过该4位端口与AVR单片机通信;
IRQ:
中断标志位;
VDD:
芯片电源3.3V;
VSS:
GND:
xc2,xcl:
外接晶体振荡器引脚,典型值为16MH2;
VDD—PA:
芯片内部功放供电端,输出电压为1.8V;
ANTl,ANl2:
ANT天线输人端;
IREF:
基准电流参考端;
以上需要和单片机通信的引脚别离是cSN,scK,M0sI,MIs0及IRQ,注意芯片的VDD电源电压不要超过3.3V,电流也不要太高,超过3.6V会造成芯片永久烧毁。
nRF24L0l的时序图如图3和图4所示。
能够看出,在发送模式下,数据的高位在前,低位在后,每写一名都要返回一个状态字,每次写操作都能够读回一个完整的状态字,保证最大限度地不丢包。
nRF24LDl的工作模式发送接收模式、系统配置模式、空闲状态模式和关机模式等4种,如表1所示。
表lnRF24IDl配置为发射、接收、空闲及掉电4种工作模式表
其中,发送接收模式有EnhancedshockBurstTM模式、shockburstTM模式和直接发送接收模式3种。
在本设计中,采纳Enhancedsho&BurstTM模式。
这种模式下,软件编程会略微简单,系统稳固性更高。
nR砣4加1的应用原理如图5所示。
另外需要注意的是,nRF24Iol的寄放器配置采纳宏概念命令,通过宏概念命令将18字节的寄放器参数依照各个功能分解,以便于程序移植和修改。
1.3电磁阀驱动电路
电磁阀驱动电路是由2个NPN和2个PNP三极管组成的H桥组成,外围触发采纳施密特触发器组成,每一个分站的电磁阀由Dc一6V供电,采纳脉冲操纵。
分站AvR单片机从PINl和PIN2引脚输出操纵信号,触发三极管的导通和关闭实现电流的流向转变操纵电磁阀,若是PINl是高电平Q1导通,通过施密特触发器后Q4也导通,电流流向是从右到左,若是PIN2是高电平Q2和Q3导通,电流流向是从左到右,由于采纳脉冲施密特触发,即只在启动和关闭电磁阀进程中消耗电量,那个进程类似于直流电机H桥驱动电路正反转电路,因此电路简单靠得住。
电磁阀驱动电路如图6所示。
2系统软件设计
系统软件的编写平台采纳HPinfoTech的code—VisionAvR,该平台尽管不带nRF24L01的头文件库,可是自带的sPI库文件会使编程加倍方便。
本文要紧介绍主站和分站的软件设计思路。
21主站系统软件
主站是系统的核心,要紧接收分站的湿度转换的数据,并依照湿度数据的高低操纵电磁阀的动作。
由于nRF24ml是采纳sPI操纵的,因此要配置好主站单片机的sPI的工作方式,用到的寄放器包括AVR单片机内部的sPcR,sPsR,sPDR。
每位寄放器都是8位的,要和nRF24LDl的寄放器区别开来。
由于主站大部份工作在接收时刻上,因此配置寄放器位PRIM—Rx为高,打开所有利用的接收数据通道EN—RxADDR寄放器,设置好自动应答寄放器EN—AA,并能实现数据宽度调剂Rx—Pw—Px。
最后,设置cE为高启动接收模式,接收到数据包后需要校验数据的地址和cRc查验,若是都正确,并能够识别是哪个分站发送的数据,AvR单片机将数据以适合的速度通过sPI口将数据读出。
当主站工作在发送状态时,主若是AVR单片机依照预先设定好的程序,随着湿度数据转变发送操纵电磁阀的信号。
由于大棚内的湿度转变是缓慢的,因此程序设计中要有PID算法,将计算好超调量等数据写入PID算方式程序当中,更好地操纵电磁阀工作,达到节水的目的。
2.2分站系统软件
分站系统软件包括发送湿度数据到主站和应答主站命令,并操纵电磁阀动作,期间要监控湿度信号,配合好主站的PID算法,达到一种实时操作的目的。
nR砣4Lol工作在发送状态几乎和接收模式相反,配置寄放器位PRIM—Rx设置为低,将湿度数据通过sPI写入到Tx—ADDR和Tx—PLD中,有且只有csN为低
的时候发送数据是不断被写人的,并设置cE为高,启动发射。
注意cE高电平持续时刻最小为10斗s,在那个地址设置sPI功能函数的时候必然记得在头文件声明利用了sPI函数,如#include
具体利用的函数如下:
unsigned
char
spi(unsigned
chardata);
挪用该函数前必需要设置sPI操纵寄放器sPcR,即对sPcR赋值。
该函数的功能是发送1个字节,同时接收1个字节,sPl函数通信利用查询方式,因此不需要设置sPI中断许诺标志位sPIE。
下面是主从机
配置子程序:
3结语
本设计提出一种以无线射频模块nRF24IDl和AVR单片机组成的网络来传输物理量数据,并操纵电磁阀动作的蔬菜大棚自动浇灌系统。
该系统结构简单,灵活性较高,节约了大面积布线的本钱,也降低了故障率。
检测的数据能够实时上传,并依照数据的转变做出实时操纵。
但是,设计中不免存在其他遥控设备的2.4G干扰和PID算法不科学等问题,希望通过配置跳频方式排除干扰,改良传统的PID算法,已达到加倍节水的目的。
托普物联网是浙江托普仪器旗下的重要项目。
浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商,依据自身在农业领域的研发实力,和自主研发的配套设备,在农业物联网领域崭露头角!
托普物联网以客户需求为源头,结合现代农业科技、通信技术、运算机技术、GIS信息技术,和物联网技术,竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。
要紧有:
大田种植智能解决方案、畜牧养殖管明白得决方案、食物平安溯源解决方案、食用菌种植智能化管明白得决方案、水产养殖管明白得决方案、温室大棚智能操纵解决方案等。
托普物联网三大系统产品
咱们明白物联网要紧包括三大层次,即感知层、传输层和应用层。
因此托普物联网产品要紧以这三个层次延伸,涵盖了感知系统(环境监测传感设备)、传输系统(数据传输处置网络)、应用系统(终端智能操纵平台。
)
托普物联网模块化智能集成系统
托普物联网依据自身研发优势,开发了多种模块化智能集成系统。
一、传感模块:
即环境传感监测系统。
它依据各类传感设备能够完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。
二、终端模块:
即终端智能操纵系统。
它能够完成整个园区或远程操纵异地园区进行自动浇灌、自动降温、自动开启风机,自动补光及遮阳,自动卷帘,自动开窗关窗,自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动操纵。
3、视频监控模块:
即实时视频监控系统。
主若是通过监控中心实时取得植物生长信息,在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。
4、预警模块:
即远程植保预警系统。
能够通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。
五、溯源模块:
即农产品平安溯源系统。
该系统对农产品从种植预备时期、种植和培育时期、生长时期、收成时期等对作物生长环境、喷药施肥情形、病虫害状况等实施实时信息自动记录,有据可查,在储藏、运输、销售时期采纳二维码或RFID射频技术对各个时期数据记录,如此就能够实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能够查看到各类信息,才能安心食用。
六、作业模块:
即中央操纵室。
可通过总控室对整个区域情形进行监测,包括各个区域搜集点参数、操纵作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。
参考文献:
[1]刘俊岩,张海辉,胡瑾,等基于z-gBee的温室自动浇灌系统设计与实现[J]农机化研究,2021,34
(1):
111—114
[2]蒋鼎国,张宇林,徐保国节水浇灌监控系统设计一基于wsN和模糊操纵策略[J]农机化研究,2021,34
(2):
167—171
[3]杨久红,王小增基于LPC2103的稻田自动浇灌系统[J]农机化研究,2叭1,33
(2):
80—83
[4]张洋,韩文霆作物灌水量决策支持系统开发[J]农机化研究,20n,33
(2):
147—149
[5]张涛DPSQKS一1型浇灌自动操纵器的研制[J].农机化研究,2020,33(6):
84—86.
[6]高军,任守华,朱景福农业浇灌远程操纵系统的设计[J]农机化研究,20ll,33(7):
11l一113.
[7]张丽红,孙磊,伦翠芬,等基于cAN总线的连栋温室节水浇灌操纵系统[J]农机化研究,2020,33(6):
168—170
[8]石建飞,刘超,李爱传,等基于PLc的农田自动浇灌无线监控系统设计[J].农机化研究,20u,33(11):
28—31,
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