一、產(chǎn)品背景

從農(nóng)業(yè)時代到工業(yè)時代再到信息技術(shù)時代，科學技術(shù)不斷推進，造就了需多新興事物,如互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、云計算、大數(shù)據(jù)等,一批新一代科學技術(shù)與行業(yè)產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合。然而，民以食為天，無論社會怎樣發(fā)展，農(nóng)業(yè)的發(fā)展不能忽視，它是其他行業(yè)、產(chǎn)業(yè)和人類社會發(fā)展的基礎和保障。

縱觀數(shù)千年的國內(nèi)外農(nóng)業(yè)史，我國農(nóng)業(yè)的過去和未來可以歸納為三個階段：分別是以體力勞動為主的小農(nóng)經(jīng)濟時代（農(nóng)業(yè)1.0）；以機械化生產(chǎn)為主、適度經(jīng)營的“種植大戶”時代（農(nóng)業(yè)2.0）和以現(xiàn)代科學技術(shù)為主要特征的農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)3.0）。我國目前處于農(nóng)業(yè)2.0到農(nóng)業(yè)3.0的轉(zhuǎn)型期，它的躍升將是加速的，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的根本性變革。未來現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)將是規(guī)模化、機械化、自動化、信息化和科學化的。

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進行檢測和控制，實現(xiàn)自動管理或無人管理。例如：空氣的溫濕度、土壤濕度、光照度、二氧化碳濃度等。這些參數(shù)的檢測和控制會受到地形地貌、規(guī)模的限制，實現(xiàn)起來還有很多困難，但溫室大棚具有特定的地形、封閉的環(huán)境，實現(xiàn)起來相對容易一些。溫室大棚的管理水平一定程度上體現(xiàn)了一個國家和地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平。未來農(nóng)業(yè)的自動化、信息化、科學化和無人值守種植將首先在溫室大棚上得以實現(xiàn)。

從全國范圍來看，目前溫室大棚主要分布在北方地區(qū)，而且種植面積在逐步擴大，現(xiàn)代化水平也在逐步提高，有些已配備了卷簾機、通風扇等，但仍然是人工操作，且很少有環(huán)境參數(shù)的檢測，即使有參數(shù)檢測，大多數(shù)對大棚溫度、濕度、土壤濕度的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強度大及測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結(jié)果不但增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達到預期的效果。離自動化、信息化和科學化更是相差甚遠。國外的溫室設施己經(jīng)發(fā)展的比較完備，并形成了一定的標準，但是價格昂貴，并缺乏與我國氣候特點相適應的測控軟件。

綜合分析以上因素，我們提出一種對溫室大棚實現(xiàn)檢測和控制的解決方案——智能大棚集群控制系統(tǒng)。本項目充分利用了GSM、CDMA等現(xiàn)有網(wǎng)絡，借助WIFI、 ZigBee等模塊可實現(xiàn)對單個大棚和多個大棚的同時檢測和控制，把個體生產(chǎn)和規(guī)?；a(chǎn)相結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行靈活、經(jīng)濟實惠、性能可靠的優(yōu)點。不但能滿足個體農(nóng)戶生產(chǎn)的需要，還便于企業(yè)實現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)。

 

二、產(chǎn)品介紹

（一）、產(chǎn)品概述

智能大棚是基于宏晶科技IAP15F2K61S2為主控制芯片，并自主開發(fā)設計了主控板。大棚外部設ZigBee通信模塊、語音播報模塊、GSM通信模塊、點陣屏顯示模塊、太陽能發(fā)電模塊、卷簾驅(qū)動模塊、鍵盤模塊、電源模塊、WIFI模塊和無線模塊等組成，大棚內(nèi)部有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、攝像頭模塊、澆灌驅(qū)動模塊、報警模塊、補光加熱等。

太陽能電池板能自動尋光給蓄電池和系統(tǒng)供電，使用IAP15F2K61S2單片機內(nèi)部AD檢測太陽能電池板取樣后的電壓，通過電壓比較的方法控制兩個步進電機，使太陽板自動尋光，單片機內(nèi)部的EEPROM記錄步進電機位置，即使系統(tǒng)斷電，再次上電也可以正確的尋光。

環(huán)境檢測由AM2301數(shù)字式溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和土壤濕度傳感器等組成，分別檢測溫室大棚的空氣溫濕度、煙霧濃度、土壤濕度等。通過這些外圍傳感器進行數(shù)據(jù)采集，CPU對數(shù)據(jù)進行處理后傳送到液晶顯示屏顯示實時信息，當檢測到用戶的遠程狀態(tài)請求時，主控芯片也可以通過GSM模塊將信息發(fā)送到用戶手機上，實現(xiàn)遠程檢測和控制。也可利用計算機通過ZIGBEE模塊或232傳輸實現(xiàn)對多個大棚的集群檢測和控制。還可以通過WIFI模塊將信息和實時視頻發(fā)送到平板電腦上，進行遠程檢測和視頻監(jiān)控。在待機狀態(tài)下，主控芯片不斷監(jiān)測鍵盤、GSM模塊、WIFI模塊、無線遙控或計算機的控制指令，根據(jù)不同的指令控制相應的繼電器驅(qū)動電路，由繼電器來控制通風、噴灌、加熱、補光和農(nóng)藥噴灑等裝置，從而實現(xiàn)大棚的自動控制和無人值守。

 （三）、產(chǎn)品實物圖

圖2控制系統(tǒng)

圖3大棚內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（四）、模塊介紹

1、控制器

本系統(tǒng)以IAP15F2K61S2單片機為主控制器，該芯片運行速度快、可靠性高、功耗低、抗干擾性強、內(nèi)存大、并且內(nèi)部集成10位高精度AD、3路PWM等片內(nèi)外設資源?？蓾M足大棚控制系統(tǒng)的需要。另外，此芯片還有如下特點：

（1）. 增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，比普通8051快8-12 倍

（2）. 內(nèi)部高可靠復位，8 級可選復位門檻電壓，徹底省掉外部復位電路

（3）. 內(nèi)部高精度R/C 時鐘，內(nèi)部時鐘從5MHz～35MHz 可選。

（4）. 61K 字節(jié)片內(nèi)片內(nèi)Flash 程序存儲器，擦寫次數(shù)10 萬次以上

（5）. 兩組高速異步串行通信端口，一組高速異步串行通信端口SPI。

（6）. 大容量片內(nèi)EEPROM，擦寫次數(shù)10 萬次數(shù)以上

（7）.寬電壓、超高速四串口、超強抗干擾，超低功耗。

圖4主控制器

2、ZigBee通信模塊

采用ZigBee模塊，組網(wǎng)方便，無需新建網(wǎng)絡即可實現(xiàn)多個大棚的同時檢測控制。ZigBee接收模塊通過USB轉(zhuǎn)串口與PC機通信?？稍诰€查看各個當前大棚的溫度、濕度和土壤濕度等。界面上還有許多控制按鈕，可控制大棚灌溉、農(nóng)業(yè)噴灑、通風、加熱補光和卷簾等。

圖5 ZigBee通信模塊

圖6上位機界面

3、GSM通信模塊

采用GSM TC35i通訊模塊，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡，無需單獨組網(wǎng)，運行安全穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、運行靈活、經(jīng)濟可靠。而且可以實現(xiàn)遠程控制（跨省、跨區(qū)域）。GSM模塊接收到手機指令后，會通過串口通信與單片機連接，單片機接收到指令便會執(zhí)行。如圖8，我們看到界面上有很多控制按鈕，當我點擊“卷簾拉上”按鈕，GSM模塊接收到指令后，會給單片機通信，單片機接收到指令后，會控制卷簾驅(qū)動將大棚卷簾拉下。

圖7 GSM通信模塊

圖8手機軟件界面

4、攝像頭模塊

攝像頭連接WIFI模塊以后，可以通過平板電腦來實時查看大棚內(nèi)部情況。攝像頭可通過平板電腦控制對其上下左右移動來查看大棚內(nèi)部信息，可做到查看大棚內(nèi)部無死角。

5、語音播報模塊

主控芯片通過檢測控制設備對大棚當前的工作狀態(tài)，來給語音模塊反饋信息，使其播報當前工作項目是什么。

圖9語音播報模塊

6、溫濕度傳感器

溫濕度傳感器的種類多，選擇余地大，本系統(tǒng)采用AM2301溫濕度傳感器。把溫度測量模塊直接送入主控器，通過單片機的內(nèi)部10位A/D采集信號，設置為第一路信號，可精確到0.50℃，滿足應用要求。濕度測量模塊，調(diào)理后也送入主控芯片，設置為第2路信號。由于AM2301有0.70%RH的溫度系數(shù)，在信號調(diào)理電路中進行了溫度補償，在35%--85%RH范圍內(nèi)可精確到2%RH。其測量結(jié)果會實時顯示液晶屏上。

圖10溫濕度傳感器

7、煙霧傳感器

采用MQ-2煙霧傳感器，通過電位器設定煙霧指標補償，然后送入單片機的I/O，經(jīng)濾波處理后，判斷是否達到設定閥值，如達到設定值，給報警器發(fā)送信號，使其報警。

圖11煙霧傳感器

8、點陣屏模塊

采用自制的64*32點陣屏，來顯示各個大棚的編號和當前工作的工作狀態(tài)。

圖12點陣屏模塊

9、太陽能模塊

采用2塊太陽能板，兩塊并聯(lián)，在經(jīng)過穩(wěn)壓模塊后給蓄電池充電；穩(wěn)壓模塊的輸入端接單片機的內(nèi)部A/D，通過判斷電壓的高低，分析每個位置光照強度并記錄在內(nèi)部ROM中，通過掃描完成后，由水平和垂直步進電機將太陽能板轉(zhuǎn)到光照最強位置。

圖13太陽能模塊

 

10、鍵盤模塊、無線遙控模塊

采用4*4矩陣按鍵和無線遙控設備，在大棚內(nèi)部實施控制。

圖14鍵盤模塊

11、WIFI模塊

采用自制WIFI模塊，來實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的通信和控制。攝像頭通過自動連接WIFI，無線傳輸大棚內(nèi)部情況，在任何地方都可以隨時隨地查看大棚內(nèi)部情況。還可以通過平板電腦的控制按鈕，來遠程控制大棚的卷簾、通風、加熱補光、灌溉、農(nóng)藥噴灑等，在信息顯示欄還實時顯示大棚中的參數(shù)。

圖15 WIFI模塊

圖16 平板電腦軟件界面

12、控制模塊

在系統(tǒng)中，主控制器可以通過鍵盤、無線設備、手機、平板電腦或計算機的控制信號來控制相應的繼電器驅(qū)動電路，由繼電器來控制通風、噴灌、加熱、卷簾等裝置。

14、液晶顯示模塊

采用12864液晶實時顯示大棚內(nèi)部各種參數(shù)，以及萬年歷功能。

圖17液晶顯示模塊

15、土壤濕度傳感器

采用3線制土壤濕度傳感器。由于土壤中含有礦物質(zhì)離子，這些礦物質(zhì)離子都溶解在土壤中的水中。如果將兩個電極插入土壤中，電極之間就可以通過這些離子導電。通過測量兩電極之間的電阻值來表征土壤濕度的大小。由于兩級間的電阻與電壓成正比，所以通過計算兩級的電壓來表征土壤濕度。在測量電壓之前，需將傳感器得到的模擬電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以便單片機處理。當單片機檢測到低于設定值時，便自動啟動灌溉系統(tǒng)。

圖18土壤濕度傳感器