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第十一届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛

作品设计报告

基于体感技术的智能机器人控制

Intelligentvehiclecontrolbasedonbodysensingtechnology

设

计

报

告

队伍编号：

N-SD-20150042

参赛学校：

青岛农业大学

作者：

张永超毛宁孙阳

指导教师：

白皓然王蕊

组别：

□硕士组

本科组□高职组

摘要

我国地大物博，但人均资源相对匮乏，农业是国家的基础产业。

十八届三中全会以来提出的农业现代化的发展理念逐步深入，更好的发展农业实现智能控制的现代化农业模式成为必然。

随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温湿度与光照强度的控制措施。

利用温湿度传感器将温室大棚内温湿度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机传输给上位机显示，显示温室大棚内的实际温湿度，同时上位机预设目标量传输给下位机，由下位机将采集量同预设量比较，对大棚内的温度进行自动调节。

再利用光敏电阻对当前光照强度进行检测，用二氧化碳传感器对室内空气二氧化碳浓度进行检测，同理实施自动控制。

大棚内装有摄像头，我们可以时时监控和观察。

本设计利用ASP.NET构建网站，作为远程访问基础，作为一个服务器，可以处理各种操作信息，将结果反馈至网站界面同时通过串口传送相关指令至下位机ZigBee协调器。

而服务器本身处理远程操作的方式是依靠定时检测数据库中的数据，循环扫描数据根据不同的内容发送不同的指令向下位机发送。

在硬件制作中，主要是做出一个仿真模型，通过DHT11传感器检测温湿度状况，Zigbee终端节点无线传送数据至协调器节点然后与服务器串口相连接读取数据。

这种温湿度及光照强度的测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度，湿度，光照强度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。

关键词：

智能农业；远程控制；Zigbee；ASP网站

Abstract

ourcountryishumongous,buttheresourcespercapita,agricultureisthefoundationofthenationalindustry.18sincethethirdplenarysessionputforwardtheconceptofagriculturalmodernizationdevelopmentgraduallythorough,thebetterthedevelopmentofagriculturetorealizeintelligentcontrolofmodernagriculturalpatternbecomeinevitable.Withtherapiddevelopmentofthesinglechipmicrocomputerandsensortechnology,greatchangeshavetakenplaceinautomaticdetectionfield,greenhouseenvironmentautomaticmonitoringcontrolresearchhastheobviousprogress,tomanyofitsexcellentperformanceandlowcost,andwillgraduallyreplacethetraditionaltemperatureandhumidityandlightintensityofcontrolmeasures.Usingthetemperatureandhumiditysensor,thechangeoftemperatureandhumidityingreenhouses,transformintothedigitalquantity,itsvaluebythesinglechipmicrocomputerprocessing,finallytransmittedtoPCbysingle-chipmicrocomputer,accordingtodisplaytheactualtemperatureandhumidityinsidethegreenhouse,PCpresettargetsatthesametimetransmissiontothemachine,willbecollectedbythemachinevolumecomparedtothepresetquantity,toautomaticallyadjustthetemperaturewithingreenhouse.Usingphotosensitiveresistancetotestthecurrentintensity,withcarbondioxidesensortotestthecarbondioxideconcentrationinindoorair,inthesamewaytheimplementationofautomaticcontrol.Insidethegreenhouseequippedwithcameras,wecanconstantlymonitorandobservation.

BuiltthisdesignusingtheASP.NETwebsite,asafoundationforremoteaccess,asaserver,candealwithallkindsofoperationinformation,willfeedbacktheresultstothewebinterfaceatthesametime,throughtheserialporttransmissionrelatedinstructionstoamachineunderZigBeecoordinator.Whiletheserveritselfdealwithremoteoperationwayistorelyontimingdetectiondatainthedatabase,circularscanningdataaccordingtodifferentcontenttosendinstructionstosenddownamachine.Inhardwareproduction,mainlyistomakeasimulationmodel,throughtheDHT11sensortodetecttemperatureandhumiditycondition,Zigbeewirelessterminalnodestransmitdatatothecoordinatornodeandthenconnectedtoaserialportservertoreaddata.

Thetemperatureandhumidityandlightintensityofthemeasurementandcontrolsystemcanbeappliedtoagriculturalproductiongreenhouses,realizethetemperature,humidity,lightintensityofthereal-timecontrol,amoreintelligentandeconomicsolutions,suitableforpromoting,inordertopromotethegrowthofcrops,soastoimprovetheareayieldofgreenhouses,tobringgoodeconomicandsocialbenefits.

Keywords:

Motion-sensingtechnology、Bluetooth、intelligentrobot

第1章绪论

1.1选题背景及研究意义…………………………………………………………………1

1.2国内外发展概况

1.3选题的目的和意义

第2章系统方案

2.1系统硬件设施

2.2系统软件设施

第3章功能与指标

3.1功能与指标

第4章实现原理

4.1SQL数据库的搭建

4.2上位机控制界面设计

4.3C#软件界面的设计

4.4ZIGBEE无线网络以及下位机设计

4.5传感器介绍

4.6基于ZStack协议的设计

第5章硬件框图

5.1

第6章软件流程

6.1软件流程图

第7章系统测试方案

7.1系统测试

第8章测试设备

第9章测试数据

第10章结果分析

第11章实现功能

第12章特色

12.1

12.2

结论

附录A：

参考文献

1绪论

1.1选题背景及研究意义

近年来，农业现代化概念逐步深入推广，特别是温室大棚已经成为高效农业一个重要组成部分。

现代化农业生产中重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。

例如：

空气温度、湿度、土壤含水量、二氧化碳含量等。

在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量的交换密切相关。

进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证。

通过检测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使农作物达到优质、高产、高效栽培目的。

以现代蔬菜大棚为代表的现代化农业设施在现代农业生产中发挥了巨大作用。

大棚的温度、湿度与二氧化碳含量等这些参数，直接关系到了蔬菜水果的生长。

国外温室设施已经发展比较完备，形成了一定标准，但是那个价格非常的昂贵，缺乏了能与中国气候特点相适应的技术测控软件。

当今大多数对大棚的温度、湿度、二氧化碳的含量的检测与控制都采用的是人工管理，这样就不可避免的有些测控精度过低、劳动强度很大及由于测控的不及时等这些弊端，容易造成难以弥补的损失，结果不但增加了成本，浪费了很多人力资源，而且难以达到预计效果。

因此，为实现高效农业生产科学化和提高农业研究准确性，推动我国农业发展，应该大力发展农业设施和相应的农业工程。

科学合理的调节大棚内的温度、湿度以及二氧化碳含量，使大棚内可形成有利蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜与水果早熟、优质高效益的一项重要的环节。

现在，随着蔬菜大棚迅速增多，人们对它的性能要求越来越高，特别是未来提高生产效率，对大棚的自动化程度要求越来越高。

单片机构造，采用串口进行通讯，已实现温室大棚的自动化届检测和控制。

利用无线通讯网络可以实现远距离无线控制。

对于无线通信网络的开发，现阶段有着广阔的市场前景。

Zigbee技术是在短距离无线通信方面具有绝对优势的一种方式，其多个节点的连接，自动分配网络地址的方式以及信号的稳定性等优点是进行区域化种植的一个良好选择。

1.2国内外发展概况

温室可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳的条件、避免外界四季变化与恶劣气候对其影响的场所。

它用采光覆盖材料作为部分的结构材料，可在冬季和其他不适合陆地植物生长的季节栽培出植物。

温室生产以达到调节作物产期，促进作物生长发育，防治病虫害和提高质量、产量等等为目的。

而温室设施性发关键加护就是环境控制，此技术的最终目的是提高控制和作业的精度。

国外对温室环境的控制技术研究得比较早，开始于20世纪70年代。

那时先是采用模拟式组合仪表，采集现场的信息并进行指示、记录与控制。

到了80年代末出现了分布是的控制系统。

日前正在考法和研制计算机的数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在世界各国温室控制技术发展的很快，一些国际安在实现自动化的基础上正在向着完全的自动化、无人化方向发展。

可以从国内外温室控制技术发展状况来看，温室环境控制技术大致经历了三个发展阶段：

（1）手动控制

这是温室技术发展初期所采取得控制手段，其实那时并没有真正意义上的控制系统和执行机构。

生产在一线的种植者既是温室环境的传感器，又是温室作物进行管理的执行机构，他们在温室环境的控制方面处于核心。

他们通过对温室内外的空气状况核对农作物生长状况观测，凭借其长期积累的经验和直觉推测和判断，手动调节温室内的环境。

种植者采用了手动控制的方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且最有效的，它符合了传统农业的规律。

但这种方式的劳动生产率低，不适合工厂化农业生产的需要，对种植者的素质要很高。

（2）自动化控制

这种控制系统需要种植业输入温室作物的生长所需要的环境目标参数，计算机根据传感器实际测量值和事先设定的目标值进行比较分析，已决定对温度环境因子的控制技术实现了生产的自动化，适合规模化生产，劳动生产力得到了很大的提高。

通过改变温室环境已设定的目标值，能自动进行温室内环境气候的调节，但这控制方式对作物生长状况改变难以及时的做出反应，而且难以介入作物生长内在的规律。

当今大部分自主开发出的大型现代化温室和引进的外国设备属于这种控制方式。

（3）智能化控制

这是基于温室的自动控制技术与生产实践的基础上，通过了总结、收集农业领域相关知识、技术和各个实验的数据构建成专家系统，已建立植物生长数学模型为理论依据，研究开发的一种合适不同农作物生长的文史专家控制系统技术。

温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。

由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息在自动采集及智能控制趋势发展。

1.3选题的目的和意义

温室是植物栽培生产中不可或缺的设施，不同种类的花卉对温度和湿度等生长所需要条件要求也不一样，给它们提供一个更适合它们生长的封闭的、良好的环境，以提早或延吃周期，将会给我们带来巨大经济效益。

随着现代科技发展，电子计算机用于控制温室的环境。

该系统自动控制增温、降温、通风、增加二氧化碳浓度、光照强度、土壤湿度等。

通过网页或按键输入不同信息以至于达到随时的调节环境温室环境自动化控制系统在现代化大型温室的利用，是设施栽培高新技术的表现。

本个课题使用Zigbee对空气温度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照强度、摄像头监控等控制的基本原理进行实施化，利用现有的资源设计一个实时控制温室大棚的温度、湿度、二氧化碳浓度等等的控制系统。

目的是通过这次博创杯设计大赛，加深理解自动控制的运作模式和意义。

2系统方案

2.1系统硬件设计

硬件设计是系统实现的物理基础，硬件的搭建就是为系统进行形体的搭建，并根据系统的设计要求完成各种功能模块、器件的选择和电路的焊接等工作。

本系统的硬件设计包括下位机无线网络的设计和控制台的搭建。

由于PC机在现代的生活中已经非常的普及，因此控制台系统就用PC机电脑去做。

下位机无线网络有很多种组建方式。

目前现在已有的无线技术有红外技术、蓝牙技术、CDMA2000技术、GSM技术、RFID无线射频识别技术、UWB技术、WiMax技术、Wi-Fi技术以及ZigBee技术等几种。

红外技术传输中间不能有障碍物不适合用在大棚间，蓝牙技术虽然可以绕过障碍物，但是传输距离很近约90m，RFID无线射频的感应距离更短。

CDMA2000技术和GSM技术是比较成熟的技术，但是现在都是收费的。

Wi-Fi技术和ZigBee技术都是新产生的技术，现在都是免费阶段，而且具有比较长的传输距离。

Wi-Fi技术可以传输视频具有很高的带宽，但是也就预示着有较高的功耗。

ZigBee技术是一种短距离低功耗的无线通信技术，相对于前几种技术具有更多的优势，多用于工业控制、家用自动控制、玩具制造业等各方面。

这种技术可以实现自组网，在这个网络范围内每个ZigBee模块之间都是可以相互通信的，是可以同时实现控制和信息采集反馈的。

在使用过程中可以组成一个6000多个节点的大网，最重要的是它的协议半开放，可以进行二次开发，而且它的工作范围较广，完全符合在农业设施环境中的使用。

在zigbee设备的选取时使用TI的CC2530，CC2530比CC2430成熟，且采用更加完善的ZStack2007协议栈，CC2520无线模块还可以采用CC2530+CC2591的组合形式，CC2591是无线射频发射前端，它可以提高CC2530数据发射的距离，加入CC2591后，zigbee模块的传输距离由原来的200m可增加到2km，这样就使得CC2530具有较远的传输距离，保障了在数据传输时的准确率。

所以在设计时采用CC2530+CC2591运放的无线模块，并在此基础之上扩展外围传感器电路、和控制电路。

主要加入DS18B20温度传感器、DH11温湿度传感器、光敏电阻和CO2传感器等以检测大棚中的环境。

2.2系统软件设计

软件程序设计主要包括上位机软件和下位机软件。

下位机采用zigbee无线网络系统，通过使用CC2530模块，应用更加完善的ZStack2007协议栈，从而实现了农业设施信息无线网络的采集。

进而通过上位机可以实时监控农业设施信息和控制。

而上位机实现可以采用两种方案。

一种方案采用VC++设计上位机界面，使用VC++建立MFC程序，很方便的建立起上位机软件界面，而且很直观。

但是用VC++连接数据库时麻烦，而且不易操作。

另一种方案采用C#设计上位机界面，在C#中有多种连接SQL数据库的方法，而且连接方式简单容易。

对于C#有着比VC++更加完善的界面。

在上位机中采用C#设计，为以后使用C#建立web网页访问数据库建立了基础。

因此本设计采用C#加数据库的方案进行上位机设计。

系统网站搭建采用ASP.NET建立动态网站，建立IIS服务器，搭建网络B/S结构，并利用手机或电脑等联网设备通过浏览器浏览智能大棚系统的网站，进行数据的查看和设施的控制。

3功能与指标

本文温湿度、二氧化碳浓度、光照强度自动控制系统是针对温室大棚控制而设计。

塑料大棚是开发日光资源、充分利用太阳光能的主要形式之一，能避光、增产、保湿，为温室生长创造一个良好环境。

温室大棚作为一个相对封闭的环境，其内部形成了一个小气候环境，良好的空气环境是温室正常生长的重要条件。

为了增产、增收，要注意大棚内部的气体温度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等。

（1）大棚内白天增温快，当棚外平均气温为15℃时，棚内可达40℃-50℃。

因此，要适时调节棚内温度，避免高温危害。

系统中装有温度传感器时时检测室内湿度。

气体温度主要是控制棚内植物呼吸作用和光合作用，温度过低过高都不利于植物的生长，通过查阅资料找到适合具体植生长的最佳温度，我们做的智能大棚装有制冷机，能够制冷和制热，当温度低于设定范围时，系统自动打开制冷机的制热档；当温度高于设定范围时，系统自动打开制冷机的制冷档。

（2）土壤温湿度主要是控制棚内植物所需要的水分，系统通过土壤湿度传感器检测土壤水含量。

当土壤水分过低不利于植物生长，系统会自动打开滴管水管，采用滴灌技术给植物浇水。

采用滴灌技术能大大节约水资源。

（3）系统中二氧化碳浓度传感器主要控制植物光合作用，当空气中的二氧化碳浓度提高到0.1%时，可使温室的光合作用速率增加1倍以上，增产20%-80%；若使二氧化碳浓度降至0.005%时，光合作用几乎停止。

本系统安装了二氧化碳发生器，因此二氧化碳浓度过低时，系统会自动打开二氧化碳发生器为大棚补充二氧化碳。

（4）光合作用传感器用于对光照强度的检测，光照过暗时，系统可以自动打开灯加强光照。

（5）塑料大棚经常处于密闭状态，蒸发量大大减小，内部湿度一般在80%-90%，湿度过大极易导致病虫害的发生。

所以我们大棚内装有风扇，用于与外界通风。

大棚内还还安装摄像头检测和监控，远距离观测植物生长情况并有防止小偷的作用。

（6）系统中同时安装了手动按钮为了更便于控制。

本系统采用全数字化设计，直接监测棚内温湿度等等，通过对温湿度等的良好控制，有效地提高温室的产量。

4实现原理

上位机软件的设计包括两部分，分别是VS2010中C#主控界面的设计和SQL数据库的搭建。

4.1SQL数据库的搭建

数据库使用SQLServer2005[5]，在安装数据库时在命名实例名时选择命名实例，输入MYSQL，在服务账户页，选择混合模式，输入sa的密码111111，完成安装。

在计算机管理中的服务和应用程序下选择SQLServer配置管理器，启动SQLServer（MYSQL）服务，在SQLServer网络配置中启动SharedMemory、NamedPipes和TCP/IP服务，并在SQLNativeClient配置中设置下设置别名：

别名为（local）,服务器为“.”,协议为np，参数为\\.\pipe\MSSQL$MYSQL\sql\query。

这样SQL数据库服务就配置好了，可以通过C#连接到数据库了。

在数据库管理器中建立一个新的数据库db_Greenhouse，在数据库中建立数据表分别是用户信息表GH_User、大棚总表Greenhouse、各个大棚详细表GH_1,GH_2...。

在GH_User中存放着登录用户信息，包括用户名、密码和权限等；在大棚总表Greenhouse中包含所有大棚及其管理者信息，各个大棚详细表GH_1，GH_2中是各个大棚的具体信息，包括种植分区、作物、环境参量等等。

每当大棚总表中多一条记录时将会产生一个大棚信息表来描述大棚的具体信息。

在数据库中可使用sql语句来创建表，比如创建一个GH_1的数据表：

Usedb_Greenhouse

CREATETABLE[dbo].[GH_1]（

[ID][int]IDENTITY（1,1）NOTNULL,

[Zone_Name][nvarchar]（50）COLLATEChinese_PRC_CI_AS,

[Zone_BS][int],

[Zone_Admin][nvarchar]（50）COLLATEChinese_PRC_CI_AS,

[Crop][nvarchar]（50）COLLATEChinese_PRC_CI_AS,

[Sunlike][int],

[Damp][int],

[Plant_Date][datetime],

[Light][float],

[Num][int],

[CO2][float],

[Hum][float],

[Temp][float],

[BZ][nvarchar]（50）COLLATEChinese_PRC_CI_AS,

CONSTRAINT[PK_GH_1]PRIMARYKEYCLUSTERED

（[ID]ASC

）WITH（IGNORE_DUP_KEY=OFF）ON[PRIMARY]

）ON[PRIMARY]

修改数据库Greenhouse中GH_1中Zone_BS列值为2时的Num列的