從農(nóng)業(yè)時(shí)代到工業(yè)時(shí)代再到信息技術(shù)時(shí)代，科學(xué)技術(shù)不斷推進(jìn)，造就了需多新興事物,如互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等,一批新一代科學(xué)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(huì)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(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障。
縱觀數(shù)千年的國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)史，我國(guó)農(nóng)業(yè)的過去和未來可以歸納為三個(gè)階段：分別是以體力勞動(dòng)為主的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代（農(nóng)業(yè)1.0）；以機(jī)械化生產(chǎn)為主、適度經(jīng)營(yíng)的“種植大戶”時(shí)代（農(nóng)業(yè)2.0）和以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為主要特征的農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)3.0）。我國(guó)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(jī)械化、自動(dòng)化、信息化和科學(xué)化的。
現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)和控制會(huì)受到地形地貌、規(guī)模的限制，實(shí)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(shí)現(xiàn)起來相對(duì)容易一些。溫室大棚的管理水平一定程度上體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平。未來農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化、信息化、科學(xué)化和無人值守種植將首先在溫室大棚上得以實(shí)現(xiàn)。
從全國(guó)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(kuò)大，現(xiàn)代化水平也在逐步提高，有些已配備了卷簾機(jī)、通風(fēng)扇等，但仍然是人工操作，且很少有環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，即使有參數(shù)檢測(cè)，大多數(shù)對(duì)大棚溫度、濕度、土壤濕度的檢測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及測(cè)控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。離自動(dòng)化、信息化和科學(xué)化更是相差甚遠(yuǎn)。國(guó)外的溫室設(shè)施己經(jīng)發(fā)展的比較完備，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格昂貴，并缺乏與我國(guó)氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。
綜合分析以上因素，我們提出一種對(duì)溫室大棚實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制的解決方案——智能大棚集群控制系統(tǒng)。本項(xiàng)目充分利用了GSM、CDMA等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，借助WIFI、 ZigBee等模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)大棚和多個(gè)大棚的同時(shí)檢測(cè)和控制，把個(gè)體生產(chǎn)和規(guī)模化生產(chǎn)相結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行靈活、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)。不但能滿足個(gè)體農(nóng)戶生產(chǎn)的需要，還便于企業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的生產(chǎn)。
（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(shè)計(jì)了主控板。大棚外部設(shè)ZigBee通信模塊、語音播報(bào)模塊、GSM通信模塊、點(diǎn)陣屏顯示模塊、太陽(yáng)能發(fā)電模塊、卷簾驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊、報(bào)警模塊、補(bǔ)光加熱等。
太陽(yáng)能電池板能自動(dòng)尋光給蓄電池和系統(tǒng)供電，使用IAP15F2K61S2單片機(jī)內(nèi)部AD檢測(cè)太陽(yáng)能電池板取樣后的電壓，通過電壓比較的方法控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，使太陽(yáng)板自動(dòng)尋光，單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM記錄步進(jìn)電機(jī)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(cè)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(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳送到液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)信息，當(dāng)檢測(cè)到用戶的遠(yuǎn)程狀態(tài)請(qǐng)求時(shí)，主控芯片也可以通過GSM模塊將信息發(fā)送到用戶手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制。也可利用計(jì)算機(jī)通過ZIGBEE模塊或232傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)大棚的集群檢測(cè)和控制。還可以通過WIFI模塊將信息和實(shí)時(shí)視頻發(fā)送到平板電腦上，進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)和視頻監(jiān)控。在待機(jī)狀態(tài)下，主控芯片不斷監(jiān)測(cè)鍵盤、GSM模塊、WIFI模塊、無線遙控或計(jì)算機(jī)的控制指令，根據(jù)不同的指令控制相應(yīng)的繼電器驅(qū)動(dòng)電路，由繼電器來控制通風(fēng)、噴灌、加熱、補(bǔ)光和農(nóng)藥噴灑等裝置，從而實(shí)現(xiàn)大棚的自動(dòng)控制和無人值守。
圖2控制系統(tǒng)
圖3大棚內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1、控制器
本系統(tǒng)以IAP15F2K61S2單片機(jī)為主控制器，該芯片運(yùn)行速度快、可靠性高、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、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(shè)資源。可滿足大棚控制系統(tǒng)的需要。另外，此芯片還有如下特點(diǎn)：
（1）. 增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，比普通8051快8-12 倍
（2）. 內(nèi)部高可靠復(fù)位，8 級(jí)可選復(fù)位門檻電壓，徹底省掉外部復(fù)位電路
（3）. 內(nèi)部高精度R/C 時(shí)鐘，內(nèi)部時(shí)鐘從5MHz～35MHz 可選。
（4）. 61K 字節(jié)片內(nèi)片內(nèi)Flash 程序存儲(chǔ)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(qiáng)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(luò)即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)大棚的同時(shí)檢測(cè)控制。ZigBee接收模塊通過USB轉(zhuǎn)串口與PC機(jī)通信。可在線查看各個(gè)當(dāng)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(fēng)、加熱補(bǔ)光和卷簾等。
3、GSM通信模塊
采用GSM TC35i通訊模塊，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，無需單獨(dú)組網(wǎng)，運(yùn)行安全穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行靈活、經(jīng)濟(jì)可靠。而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制（跨省、跨區(qū)域）。GSM模塊接收到手機(jī)指令后，會(huì)通過串口通信與單片機(jī)連接，單片機(jī)接收到指令便會(huì)執(zhí)行。如圖8，我們看到界面上有很多控制按鈕，當(dāng)我點(diǎn)擊“卷簾拉上”按鈕，GSM模塊接收到指令后，會(huì)給單片機(jī)通信，單片機(jī)接收到指令后，會(huì)控制卷簾驅(qū)動(dòng)將大棚卷簾拉下。
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(shí)時(shí)查看大棚內(nèi)部情況。攝像頭可通過平板電腦控制對(duì)其上下左右移動(dòng)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(bào)模塊
主控芯片通過檢測(cè)控制設(shè)備對(duì)大棚當(dāng)前的工作狀態(tài)，來給語音模塊反饋信息，使其播報(bào)當(dāng)前工作項(xiàng)目是什么。
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(cè)量模塊直接送入主控器，通過單片機(jī)的內(nèi)部10位A/D采集信號(hào)，設(shè)置為第一路信號(hào)，可精確到0.50℃，滿足應(yīng)用要求。濕度測(cè)量模塊，調(diào)理后也送入主控芯片，設(shè)置為第2路信號(hào)。由于AM2301有0.70%RH的溫度系數(shù)，在信號(hào)調(diào)理電路中進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，在35%--85%RH范圍內(nèi)可精確到2%RH。其測(cè)量結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)顯示液晶屏上。
7、煙霧傳感器
采用MQ-2煙霧傳感器，通過電位器設(shè)定煙霧指標(biāo)補(bǔ)償，然后送入單片機(jī)的I/O，經(jīng)濾波處理后，判斷是否達(dá)到設(shè)定閥值，如達(dá)到設(shè)定值，給報(bào)警器發(fā)送信號(hào)，使其報(bào)警。
8、點(diǎn)陣屏模塊
采用自制的64*32點(diǎn)陣屏，來顯示各個(gè)大棚的編號(hào)和當(dāng)前工作的工作狀態(tài)。
9、太陽(yáng)能模塊
采用2塊太陽(yáng)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(jī)的內(nèi)部A/D，通過判斷電壓的高低，分析每個(gè)位置光照強(qiáng)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(jìn)電機(jī)將太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)到光照最強(qiáng)位置。
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(shè)備，在大棚內(nèi)部實(shí)施控制。
11、WIFI模塊
采用自制WIFI模塊，來實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的通信和控制。攝像頭通過自動(dòng)連接WIFI，無線傳輸大棚內(nèi)部情況，在任何地方都可以隨時(shí)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(yuǎn)程控制大棚的卷簾、通風(fēng)、加熱補(bǔ)光、灌溉、農(nóng)藥噴灑等，在信息顯示欄還實(shí)時(shí)顯示大棚中的參數(shù)。
12、控制模塊
在系統(tǒng)中，主控制器可以通過鍵盤、無線設(shè)備、手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)來控制相應(yīng)的繼電器驅(qū)動(dòng)電路，由繼電器來控制通風(fēng)、噴灌、加熱、卷簾等裝置。
14、液晶顯示模塊
采用12864液晶實(shí)時(shí)顯示大棚內(nèi)部各種參數(shù)，以及萬年歷功能。
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(gè)電極插入土壤中，電極之間就可以通過這些離子導(dǎo)電。通過測(cè)量?jī)呻姌O之間的電阻值來表征土壤濕度的大小。由于兩級(jí)間的電阻與電壓成正比，所以通過計(jì)算兩級(jí)的電壓來表征土壤濕度。在測(cè)量電壓之前，需將傳感器得到的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)處理。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到低于設(shè)定值時(shí)，便自動(dòng)啟動(dòng)灌溉系統(tǒng)。
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