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分布式温室环境监测与控制系统

专家
2014-03-10 12:31:55    评分

作者:齐鲁工业大学 郭真真 石永帅

指导教师:汪宁 郭俊美


  作品简介


  平台选型说明

  中央控制器由MK60DN256ZVLL10作为主芯片控制,Kinetis系列包含了丰富的模拟、通信等外设,32位ARM Cortex-M4内核。模拟有16位SAR ADC,12位DAC和6位DAC的告诉模拟比较器,通信USB全速/低速 OTG/主机/从设备接口,GPIO支持引脚中断,低功耗定时器。


  设计说明

  一、需求分析与方案论证

  1、无线通信方式的方案论证与选择

  方案一:采用NRF905模块。NRF905是挪威Nordic公司推出的发射器芯片,具有很强的抗干扰性,可以满足多点通信的需要,但其多点组网控制较复杂,占用单片机较多I/O口。

  方案二:采用Zigbee模块。Zigbee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。DRF1605H上电即自动组网,通过串口即可在任意节点间进行数据传播其传输距离约为1.6公里

  综上所述,NRF905编程较复杂,占用单片机资源相对较多。本设计是在从机与主机之间通信,且从机将采集到的数据发送到主机,诸如像蓝牙、315M也很难满足要求,从优考虑,本模块设计采用方案二。

  2、空气温湿检测模块的方案论证与选择

  方案一:采用DS18B20。DS18B20是一种数字温度传感器,它的测温范围是:-55℃~+125℃,适合于机房测温、农业大棚测温等。

  方案二:采用DHT11模块。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。测量湿度与温度范围分别为20~90%RH与0~50℃,测湿度与温度精度分别为±5%RH与±2℃。

  综上所述,DS18B20仅为测温传感器,而DHT11模块集成测温与测湿,性价比高,本设计选用了方案二。

  二、硬件系统的设计

  本设计由一个中央控制器和四个采样点组成,如图1所示中央控制器由MK60DN256ZVLL10作为主芯片来控制全球移动通信系统(GSM)、Zigbee无线传输模块以及分辨率为800×480的5寸液晶显示。

  如图2所示采样点由STC公司生产的IAP增强型单片机来控制Zigbee无线传输模块,DHT11空气温湿度检测模块,土壤湿度检测模块,DS18B20土壤温度检测,执行机构控制部分由可再生能源太阳能供电。

  1、CPU

  中央控制器由MK60DN256ZVLL10作为主芯片控制,Kinetis系列包含了丰富的模拟、通信等外设,32位ARM Cortex-M4内核。模拟有16位SAR ADC,12位DAC和6位DAC的告诉模拟比较器,通信USB全速/低速 OTG/主机/从设备接口,GPIO支持引脚中断,低功耗定时器。

  如图3所示为K60芯片的原理图,其D0、D1、D4-D6、C0-C15这21个引脚与液晶相连,B16、B17与GSM串口通信,D2、D3与上位机串口通信,C16、C17与Zigbee相连进行控制。

  采样点采用IAP15F2K61S2芯片,具有大容量2048字节片内RAM数据存储器;1个时钟/机器周期,增强型8051内核,与STC89C52相比速度快7~12倍。IAP15F2K61S2芯片操作简单,价格便宜,如图4所示为芯片原理图,该芯片共有40个引脚。

  2、Zigbee无线通信模块

  分布式温室环境监测系统采用Zigbee无线通信,中央控制器和采样点分别连接一个Zigbee无线通信模块。中央控制器通过无线方式发送要接收数据的指令给采样点,采样点收到后将采集的数据发送给中央控制器。由中央控制器进行处理分析,再以无线方式给采样点发送执行指令,采样点接收到命令后分析控制相应的执行机构。Zigbee无线通信模块可自动组网,满足任意扩展采样点的要求。如图5所示Zigbee无线通信模块的TXD、RXD分别与主芯片的RXD、TXD引脚相连,与主芯片的串口进行数据传输控制。

  3、液晶屏部分

  液晶显示器采用分辨率为800×480的5寸TFT液晶屏,用来显示实时采集的数据,液晶显示器的REST、CS连接K60的D0、D1引脚,显示器的RD、WR、RS连接K60的D4、D5、D6引脚,显示器的DB0~DB15连接K60的C0~C15引脚。K60可控制液晶显示器显示当前数据,使人清楚明了的观察当前采样点的情况。

  4、GSM模块

  GSM模块主要由天线、SIM卡、STM300芯片及其外围器件等组成。如图6所示,GSM模块的TXD作为数据的发射端与单片机的接收端RXD相连,GSM的接收端RXD与单片机的发射端TXD相连,可完成GSM与单片机之间相互的串口通信。通过GSM模块可完成短信控制与反馈功能,当系统接收到改变参数的短信时,系统会读取短信内容,改变参数并调节环境状态,适宜植物生长。

  5、上位机

  中央控制器将采样点采集的数据发送给液晶显示当前数据,通过串口上传到用Visual C++编写的上位机中。如图7所示,上位机通过串口接收到数据后将数据显示在右下角,在右上角显示历史数据,左侧为数据分析部分,点击左下方不同采样点对应的按键,可将采集的所有数据分类绘出曲线,蓝色线代表湿度,红色线代表温度,观察近期每个采样点所处位置的环境变化情况。上位机还会自动将每次采集的数据保存在数据库当中,数据库的储存量很大,可以储存几百万个数据,这样当发生意外掉电的情况时数据也不会丢失。

  6、电源部分

  采样点由太阳能供电,太阳能是一种干净的可再生能源,资源广泛分布。太阳能电池板的正极与蓄电池的正极相连,负极与负极相连,白天可给蓄电池充电供晚上使用,这样采样点可以24小时连续工作,防止系统停止对采样点所处位置的环境监测,耽误植物生长。

  7、环境监测部分

  空气温度湿度检测模块电路如图8所示。该模块主要使用DHT11数字温湿度传感器来采集温度和湿度信息,其中VCC接5V电源,GND

  接地,I/O口与单片机的P4.5脚相连,当单片机上电后,DHT11数字温度传感器开始工作,并实时检测温度值,通过I/O口发给从机,从机将采集到的数据通过Zigbee发送给主机。如图9为土壤湿度检测模块原理图,通过AD采集土壤湿度数据。土壤温度检测部分选用DS18B20进行测温。DS18B20原理图如图10所示,DS18B20一端5V电源,一端接地,I/O口与IAP15F2K61S2芯片的P5.5引脚连接。DS18B20数字温度单总线传感器组成一个测温系统,电路连接简单,操作方便。

  8、执行机构控制部分

  执行机构均用220V灯泡代替,绿色灯泡代表喷淋灌溉阀门,白色灯泡代表电动控制电动卷帘机构,蓝色灯泡代表风扇。执行机构通过继电器控制,高电平吸合灯泡打开,表示相应的执行机构开启。如图11为继电器原理图,单片机P0.0-P0.7、P1.4-P1.7引脚与继电器相连控制相应的执行机构。

  三、软件系统的实现

  1、如图12为中央控制器程序流程图

  中央控制器每隔五秒钟发送要采样点发送数据的指令,采样点收到指令后,作出分析,向中央控制器发送当前所采集的数据,中央控制器对接收到的数据进行分析判断,若检测的数据超过预值时,则向采样点发送指令进而控制执行机构,同时让液晶显示当前数据,又通过串口上传数据到上位机,做出曲线并实时保存在数据库中。由于不同的植物对环境需求不同,系统增加了短信控制与反馈功能,可随时向系统发送短信来改变系统预值,改变参数后系统会以新的环境标准控制环境变化状态。

  图12 中央控制器程序流程图

  2、如图13为采样点程序流程图

  采样点初始化完毕后一直处于待命状态,随时等待中央控制器发送的任何指令,对不同的指令作出判断,并按照指令运行。

  图13 采样点程序流程图

  四、功能测试

  1、上位机功能测试

  2、液晶显示功能测试

  图16 液晶显示采集的实时数据

  3、短信控制与反馈功能测试

  本测试以更改土壤湿度参数为例,系统初始设定的土壤湿度参数预值为60%,从液晶屏可看出当前土壤湿度最低为62%,均高于设定的预值所以不需要浇水,故代表喷淋灌溉阀门的绿色灯泡只亮起一盏,表示未开启。发送短信内容为“TS=80%RH”,系统读取到短信并进行分析,更改参数后回复“OK”。观察到绿色灯泡全部亮起,由于土壤湿度未改变,最高为72%低于设置后的80%,所以绿色灯泡代表的喷淋灌溉阀门需打开浇水,现象表明参数更改成功。

  图17 短信控制与反馈功能




关键词: 环境监测     Zigbee     控制器     单片机    

菜鸟
2014-03-10 16:03:25    评分
2楼
很不错。可以给我发一下资料包吗,我也想做一个,谢谢拉。

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