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广东技术师范学院-分布式温室环境检测与控制系统

专家
2014-03-12 17:26:20    评分

作者:广东技术师范学院电子与信息学院 林佳锐 张林鸿 郑义炯

指导教师:韩克 薛迎霄


  作品简介

  一、 作品设计意义

  (1)本项目以信息和软件为中心的生产模式,大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备,促进了农业发展方式的转变。通过zigbee组建无线传感器网络,可实时准确地将采集到的数据发送到到上位机或移动终端,方便用户随时随地对相关环境进行控制;

  (2)绿色能源多样性、多方位应用是现代型农庄的必然趋势,而本项目的意义在于它能打破传统农业的局限性、单一性,实现资源循环利用与可持续发展。本系统所有节点均采用可再生能源进行系统供电,并能实现24小时连续稳定工作。

  二、 作品结构说明

  本项目以Z-Stack协议栈组建无线传感器网路,使用zigbee实现协调器、路由器及终端节点的各个功能及通信,并通过协调器将采集的数据实时保存发送并显示在上位机以及手持端,管理人员通过上位机或者手持端可近远程将控制指令通过协调器发送到各个相应的环境控制模块。以下是整个系统拓扑图:

  三、 作品完成情况以及创新点说明

  (1)本项目包含至少四个分布式节点,实时准确将各个区域土壤与空气温湿度数据发送到微处理器,并且可连续无限制记录采样数据,并将数据直接保存在电脑硬盘中;

  (2)通过太阳能电池对分布式节点进行24小时供电,提供持续的能源供应;

  (3)控制端包括上位机以及可进行远程控制的手持端。用户通过上位机可直接观察各个区域相应的环境参数。通过GSM模块接收手机短信方式对系统参数设置进行修改,或者直接控制对应的执行机构,并通过短信反馈修改或执行的结果;

  (4) 加入烟雾传感节点,实时检测空气中有害气体,但发现紧急情况时,系统可自动启动所有灌溉单位、排风单位及照明单位;

  (5)加入语音识别控制模块,在室内用户可直接通过语音命令设置系统的运行参数。

  四、 作品特色介绍

  (1)本项目以Z-Stack协议栈组建无线传感器网路,zigbee为提高数据传输的可靠性,采取物理层兼容性可靠的短距离无线通信协议IEEE 802.11.5同时使用OQPSK和DSSS技术;使用CSMA-CA技术来解决数据冲突问题等等措施,使整个系统无线网络可靠性高,并且可扩展节点数量的能力较强。

  (2)本项目实现对绿色能源多样性、多方位应用,不仅仅实现了对分布式节点24小时连续稳定提供能源,同时也为烟雾报警节点及语音识别节点提供稳定能源。

  (3)控制端人性化设置使用户随时随地均可实现对整个系统的调节。用户不仅仅可以通过上位机方便快捷查看环境参数和调节系统参数。也可以通过GSM模块接收手机短信方式对系统参数设置进行修改,或者直接控制对应的执行机构,并通过短信反馈修改或执行的结果。并且加入空气有害气体检测模块保证了系统的随机应变能力,同时加入语音识别模块,使整个系统控制更加多样化、快捷化、人性化。

  五、 项目涉及关键技术

  (1)zigbee无线传感网络技术;

  (2)单片机原理与外围电路设计;

  (3)温度,湿度,烟雾等传感器应用与电路设计;

  (4)太阳能,风能采集储存、直流逆变输出技术;

  (5)LabVIEW语言上位机界面设计与数据处理;

  (6)GSM网络通讯。

  (7)语音识别技术。

  六、 项目图片展示






  平台选型说明

  各个传感节点以及中央协调器采样TI公司CC2530 ZIGBEE作为主控芯片,控制继电器端采样51单片机,显示单元采样PC机液晶屏幕,数据显示采样LABVIEW上位机运行环境。


  设计说明

  一、 项目设计方案

  本项目是以zigbee 2007协议栈为架构组建无线传感网络,并实现太阳能应用途径多种多样,这就要求我们在开发项目的时候进行合理化的分工以及把整个系统进行模块化的设计。模块化设计——简单地说就是将产品的某些要素组合在一起,构成一个具有特定功能的子系统,将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合,构成新的系统,产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。

  本项目所包含的模块有:

  1.温室环境传感节点;

  2. 自动化照明,排风控制模块;

  3. 蓄电池充放电控制与保护模块;

  4. 抽水、灌溉控制模块;

  5. 语音识别模块。;

  6. GSM通讯模块。

  以下是各模块的具体设计:

  (1)温室环境传感节点

  本模块由温度、湿度、土壤湿度及其他传感器组成的传感器电路,灌溉电机驱动电路,液晶显示电路,无线收发电路,按键电路,存储电路等组成,以下是其原理图:

  (2)自动化照明,排风控制模块:

  此模块由光线强度传感电路,显示屏驱动电路,无线收发电路,LED照明网络,单片机最小系统组成,原理图如下:

  (3)蓄电池充放电控制与保护模块:

  此模块由太阳能电池模块,蓄电池,充放电电路,电压采集电路,220V供电切换电路,单片机控制电路和光耦驱动电路组成。设计使用PWM(脉宽调制)控制技术来控制蓄电池充放电,通过控制MOSFET管开启和关闭达到控制电池充放电的目的。原理图如下:

  (4)抽水、灌溉控制模块:

  本模块由直流电机驱动电路,蓄水池水位检测电路,灌溉电路,湿度传感电路,zigbee模块,单片机控制电路组成,原理图如下:

  (5)语音识别模块

  ICRoute 推出LD332X非特定人语音识别芯片,可识别中文:只需要51MCU将关键词语拼音串,设置寄存器传入LD332X芯片,就可以完成语音识别功能。LD332X系列芯片在设计上注重节能与高效,不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM、加密芯片等,直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。并且,识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。

  (6)GSM通讯模块

  GSM模块通过移动或联通业务,将采集的数据传输到远方用户,完成数据的采集及远程控制功能。为了使模块通用化且不影响系统的工作速度,本设计将GSM模块做成单独的工作系统,独立完成数据的接收及发送。MC39i模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。模块分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等,以下是模块原理框图:

  二、项目最终成果

  本项目推出的无线传感网络运用于农庄数据采集处理,并实现太阳能应用途径多种多样,是将科学技术武装到了延续几千年的劳动生产上。一个偌大的农庄仅需要凌驾于太阳能,利用取之不尽的能源蓄电池(正常有光照情况下,便可依靠蓄电池比较好的深循环能力与过充和过放能力,在不同的环境要求,如高海拔,高温,低温等不同的条件下都能正常使用,当光照不充足时便可通过控制器保护电池并切换电网供电,实现持续供电)便能实现整个农庄系统的操控与运行,人类复杂的日常生活,仅需举手之劳操控手中的远程无线监控遥控便能远程监测控制蓄电池的负载,利用光感控制整个农庄的照明以及适时为农作物提供光源进行夜间光合作用,太阳能可给农庄热水供应或步进控制抽水机,利用土壤湿度传感器检测土壤湿度组成自动化网型灌溉,此外,还可利用各种温度、湿度、光照强度传感器控制温室大棚进行监控,使农作物生长于最佳的生长环境中,而蓄电池提供的直流电也可通过逆变换器将其转化为交流供叫农户家庭用电使用。一键在手,真正实现了农业生产的信息化、自动化、精准化、智能化,有效地降低了农民劳动强度。以信息和软件为中心的生产模式,使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备,促进了农业发展方式的转变智能农业,带动了农庄经济的多元化发展。

此文档的相关视频来自:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13507




关键词: 传感器     zigbee     控制系统    

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