蔬菜大棚管理系統論文范文

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1監控從節點硬件結構平臺

監控節點的設計是系統的關鍵，決定了采集蔬菜大棚參數的準確性和控制調節的有效性［5］。監控從節點主要分為大棚內空氣溫濕度從節點和土壤水分監控從節點，都在同一個硬件平臺上開發而成，根據不同的功能選擇不同的模塊即可實現。節點硬件主要由處理器STM32F103、溫濕度傳感器AM2302、土壤水分傳感器SM2802M、無線串口透傳模塊E17－TTL100－SMA和供電管理單元組成，并輔以定點滴管系統和通風分機控制系統。節點硬件平臺結構如圖2所示。節點采用了功能強大的處理器STM32F103作為控制核心，具有高性能的32位的RISC處理內核，工作頻率為72MHz，內置高達128k字節的閃存和20k字節的SRAM，可以存儲系統參數、程序和臨時運算［6］;有豐富的增強I/O端口、3個USART接口和1個USB接口，供電電壓為2．0～3．6V，省電模式為系統提供低功耗的保證。

1．1無線串口透傳模塊為了增加無線傳輸的距離，并改進通信質量和可靠性，采用無線串口透傳模塊E17－TTL100－SMA。其由高性能無線射頻芯片構成，工作的中心頻率為開放的433MHz，供電電壓為1．8～3．6VDC，最大發射功率高達100mW，接收電流為35uA，休眠模式下的待機電流僅為2．1uA;可以接受串口命令，在空曠的場地最大傳輸距離為1800m;具有標準的TTL接口，收發雙方相當于連接了一條串口電纜，免去了復雜的通信協議，在命令模式下可設置多種通信波特率。模塊通過串口與控制器STM32F103的USART接口相連，采用默認的9600波特率進行通信交互［7］。從節能角度考慮，無線模塊在平時會一直處于接收模式。當收到主節點發來的指令后，處理先執行收到的命令，然后再將模塊設置為發送模式，把采集到的數據上傳到管理主機。

1．2溫濕度傳感器AM2302由于蔬菜大棚內的作物的光合作用，會蒸發很多水分，并伴隨產生熱量，導致棚內的溫濕度變化較大，如果控制不好，作物非常容易出現病害，故需要一款高精度和靈敏度的傳感器來完成數據的采集工作。數字溫濕度模塊AM2302是一款含有己校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括1個電容式感濕元件和1個高精度測溫元件，采用3引線連接方式，供電電壓范圍為3．5～5．5V，單總線數據線SDA引腳為三態結構用于數據的交換和控制均，確保其具有超快的響應和極高的可靠性與抗干擾能力。處理器STM32F103把數據總線SDA拉低至少800μs后，會從休眠模式轉換到高速模式，從數據總線SDA串行輸出40Bit數據，數據依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位及校驗位，發送數據結束后自動轉入休眠模式［8］。

1．3土壤水分傳感器SM2802M由于蔬菜大棚人為對土壤管理措施的不同和土壤本身的各種理化性不同會對土壤含水率產生影響。為更加精準地調節土壤的含水情況，采用新一代土壤水分測量傳感器SM2802M。它具有工業級精密核心元件，并利用了世界先進的FDR原理制作而成，可長期埋于土壤中，具有高精度和高可靠的特點。電源電壓范圍為DC12～24V，測量范圍0～100%，測量精度3%FSD，響應時間＜1s，輸出信號4～20mA，分別對應設定的滿量程。通過增加一個10Ω的高精度電阻，則4～20mA就轉換成40～200mV的電壓信號，直接通過處理器STM32F103的ADC口進行數字化后測量。

2輪詢查詢通信與最大通信節點數

由于系統內的所有節點都工作在同一個頻率上，為保證通信的可靠性，避免出現干擾或者阻塞，采用了以主節點為主導的輪詢查詢通信方式。

2．1從節點輪詢查詢通信方式軟件流程考慮到功耗和通信的可靠性問題，輪詢查詢的發起者為主節點，從節點會一直工作在接收數據模式，直到接收到主節點對其發出的指令，才進行工作模式轉換。從節點的軟件流程如圖3所示。從節點上電工作后，首先進行系統各功能模塊的初始化，然后將無線通信模塊的設置在接收數據模式，等待主節點發送的數據。當接收主節點發送的數據時，提取主節點的發送目標地址編碼，并與自身的地址編碼進行匹配:如果不是發給自己的就丟棄，繼續等待接收數據;如果是發給自己的，就根據主節點的對應指令進行處理，處理完畢后將通信模塊設置為發送數據模式，將數據打包并發送出去。為了節能，最后再把通信模式設置為接收模式。

2．2系統最大支持從節點個數系統支持的最大節點數N與采集周期T需要滿足關系為其中，Δt為每個從節點與主節點之間的通信保護間隔，一般設置為50～200ms;t表示每個從節點對主節點發送指令的處理時間。從式(1)可看出，系統支持的最大節點數N與采集周期T成正比關系，即當采集周期越大時，支持的節點數越多。

3上位機管理軟件

監控中心的主機上運行著專業的管理軟件，管理軟件在VisualStudio2013．NET編程環境下開發，利用C#語言編寫而成，運行在Window操作系統下;采用SerialPort串口控件實現了與主節點的串口通信，利用TeeChart繪圖控件實現了數據的實時曲線顯示，并使用Thread類完成了任務的多線程處理，采用數據庫SQLServer2008存儲接收到的溫濕度、土壤含水率和設備狀態參數等信息。管理軟件具有用戶權限管理、系統參數配置、節點管理、數據實時顯示、曲線分析、歷史數據查詢、分析預測、報表統計打印、聲光報警與日志管理等。管理軟件結構與功能如圖4所示。管理主機通過USB接口直接與無線透傳模塊相連，接收來自各從節點的數據，并可下發控制指令。系統剛投入使用時，需要逐個添加從節點，并對每個接入系統的節點進行配置，包括節點命名、節點分類、串口波特率、無線頻率、地址編碼、數據的采集周期和報警上下限值等。節點被加入系統后，會在現實界面統一出現其運行狀態和采集到的數據值，如果1頁放不下，還會進行自動的滾動顯示。在顯示界面處選中節點，雙擊或者單擊右鍵會彈出對話框，對話框里包括了該節點的所有參數，可以對其進行配置，顯示該從節點所有配置參數，還有該節點的采集到的實時數據曲線;通過修改顯示的日期時間段，會自動調用數據庫數據，讓歷史數據再現，繪制出每天的均值、最大值和最小值的曲線圖，并可生成月報打印輸出。

4作物生長環境分析與實驗結果

為了驗證系統的性能和功能，對一個面積為80m×15m的蔬菜溫室大棚進行測試實驗，大棚的作物全部為西紅柿。實驗前，需要充分了解西紅柿在各個生長階段對最佳環境的要求。

4．1西紅柿最佳生長環境分析西紅柿屬于喜溫作物，其根系發達、莖葉繁茂、光合作用旺盛，在整個生長發育過程中要求較高的土壤濕度和較低的空氣相對濕度。西紅柿的生長主要分為發芽期、幼苗期、坐果期、果實膨大期和果實成熟期5個階段［9］。1)發芽期:為保證種子發芽整齊，需使種子充分吸水膨脹，土壤含水率要達到80%以上，棚內溫度控制在25～30℃，空氣濕度保持在75%～80%。2)幼苗期:由于根系小，吸收力差，不需大量灌溉。土壤含水率以60%～70%為宜，并逐步降低棚溫，加大放風量，白天溫度維持在21～25℃，夜間維持在12～15℃，空氣濕度要求在45%～55%為宜。3)坐果期:最為關鍵，如果濕度過大、通風不及時、溫度太低或太高，都會引起病害，需保持土壤含水率65%～80%，白天溫度控制在25～28℃，夜間控制在13%～15℃，空氣濕度50%～60%。4)果實膨大期:總需水量顯著增多，土壤含水率以80%～90%為宜，空溫度要適當提高，白天26～28℃，夜間15～17℃，空氣相對濕度45%～65%。5)果實成熟期:果實發育快、植株蒸騰量大、水分供應不足或不及時，都會影響果實的正常發育，此時要求土壤含水率在80%～85%，白天28～30℃，夜間17～18℃，空氣相對濕度40%～60%。

4．2實驗結果將大棚的土壤水分檢測區域分為4塊，每塊的面積為15m×20m，并在大棚東西南北的四個墻壁上安裝4個溫濕度監控節點(帶風機)。土壤水分含量傳感器埋入10～20cm土層中，這是西紅柿根系的最發達的區域，代表其生長狀況［10］。同時，對棚內的西紅柿的坐果期白天的生長環境進行監測，測得的數據結果如表1和表2所示。由表1可以看出:大棚內白天的溫度控制在25～28℃，濕度控制在50%～60%，且最大和最小值也沒有超出范圍，避免了由于濕度過大、通風不及時、溫度太低或太高引起作物的病害。由表2可以看出:棚內被劃分的4塊土壤含水率的均值、最大值和最小值也均沒有超出預設的范圍(65%～80%)。這表明，該系統能夠自動對這些環境參數進行智能調節，且測得的數據準確可靠。

5結論

設計的蔬菜大棚溫濕度和土壤水分自動智能管理系統，能夠自動獲取大棚內不同區域的空氣溫濕度和土壤含水率信息。管理主機以輪詢查詢方式實現了節點間的可靠通信，達到了超低功耗的效果。同時，從節點與主節點的通信距離能夠達到1800m，改善了之前由于采用ZigBee技術造成的數據丟包和傳輸距離近的問題。根據作物的生長期進行分段管理，能自動智能調節環境參數。通過對西紅柿大棚內8個從節點的實驗表明:系統工作穩定可靠，實現了數據實時顯示、統計分析、數據存儲和自動智能調節等功能，對于促進作物增產增收及推進農業智能化進程具有極為重要的意義。

作者：孔國利席紅旗單位：中州大學信息工程學院 河南教育學院信息技術系