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作者：浙江农林大学 徐象标 蔡仙贵 林霞骏

指导教师：曾松伟

 

　　作品简介

 

　　作品照片：

　　

　　开发背景：

　　苗木在生长过程中，土壤湿度起着至关重要的作用。以生物的角度来考虑，土壤湿度直接影响着植物对营养物质的吸收以及植物生长的发育，同时还影响着土壤中各种养分的有效性。近几年旱灾是席卷全国各地，假如苗木

　　未得到充分合理的灌溉，其生长发育将受到严重的威胁，甚至会造成苗木死亡。使得农民遭受经济损失。

　　在苗木培育过程中，最值得我们去考虑的问题就是，如何利用现代先进技术，改进农业的灌溉技术。合理的灌溉可以促进植物的健康生长，特别是对一些对水的含量要求特别高的植物，合理的灌溉，既可以促进植物的生长，增进苗木的产量，还可以节约日益紧缺的水资源。这正响应“建立和谐社会，提倡节约型生产”的号召。

　　结构说明：

　　

　　系统控制系统采用STC15F2K60S2芯片为控制核心单片机作为处理核心。为了达到低功耗的性能，用MSP430芯片为数据处理模块的核心，将检测到的湿度电压信号转换为数字信号输出,并将信号发给控制模块，控制模块根据信号进行判断。执行模块为电磁阀控制水流的通断。显示模块为320*240液晶显示屏，应用C语言编程控制湿度显示和灌溉执行机构动作,以实现自动灌溉控制。

　　功能与使用说明：

　　该系统主要是以STC15F2K60S2为核心的主控制系统，而YL-69土壤湿度传感器、流量计主要是给单片机提供必要的数据信号，MSP430模块主要对数据进行收集、处理和传输。该系统主要是利用YL-69土壤湿度传感器、空气温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器等采集到的数据信号，经MSP430模块的分析与处理后，通过NRF905发给STC15单片机模块，系统对环境进行实时监测，将信息显示在液晶屏上，假如所采集到的数据高于设定的上限值(低于设定的下限值)，自动开启灌溉系统或关闭灌溉系统。同时

　　系统还设置了相应的调节按键，便于使用人员的自行设置模式。如需要人为地设置时，可以通过系统设置的按键进行相应的操作，可令系统更自动化、人性化的完成灌溉任务。

 

　　平台选型说明

 

　　单片机开发板(以STC15F2K60S2芯片为控制核心)

 

　　设计说明

 

　　智能农林小气候采集系统由供电模块、检测模块、数据处理模块、主控模块、执行模块和显示模块构成。

　　供电模块：

　　系统由太阳能电池板提供电能，电池板在阳光照射下产生12V的电压，可给系统的锂电池充电。

　　太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成 P-N 结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能 量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P-N 结两 侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。将电能储存于充电电池中。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

　　在系统中，我们利用一个大容量存储电池作为储存电能和稳定工作电压的器件，因为电池输出电压在11.3-12.7V之间，具有稳定电压的功能。通过三极管来限制充电电流。使三极管在初始充电时处于放大电的工作状态，钳位充电电流在200mA左右。在充电末期，使三极管处于饱和的工作状态，实现电池的恒压充电。通过温度检测实时检测充电电池温度，避免发热损坏电池。通过控制继电器断开充电电路，实现充电电池的保护作用。构成了完整的充电系统。

　　系统供电模块的电压转换芯片是LM2596芯片，该芯片是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150KHZ)，和基准稳压器(1.23v)，并具有完善的保护电路：电流限制、热关断电路等。转换效率为75%~88%，发热量少，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

　　

　　检测模块：

　　1. 土壤温湿度传感器YL-69

　　该模块主要是湿度数据采集，湿度数据采集主要由土壤温湿度传感器YL-69对土地中的土壤湿度进行采集。

　　在系统中，YL-69湿度传感器的主要功能就是采集数据。采集的是土壤中的湿度，其在系统中电路原理图如下：

　　

　　图中的4脚接电源，3脚接地，2脚为数字信号口，1脚为模拟信号输出。模块带有电压比较器，本系统只用4、3、1口，2脚悬空，将1口与数据处理模块相连，通过公式就可算出土壤湿度，具体公式如下：

　　土壤湿度(%)=((100—(X—917)/45)—30)*1.43% X为检测值。

　　2. 温湿度传感器DHT11

　　该模块主要是温湿度数据采集，温湿度数据采集主要由土壤温湿度传感器DHT11通过变送电路对土地中的土壤温湿度进行采集。

　　在系统中，DHT11温湿度传感器的主要功能就是采集数据。采集的是土壤中的温度和湿度，其在系统中电路原理图如下：

　　

　　图中的DHT11的1脚接电源，2脚为单总线数据和命令传送口，接到单片机的P1^5口，3脚悬空，4脚接地。在电源与地之间接一个100nf的瓷片电容用以去耦滤波，在2脚还接一个4.7K的上拉电阻来拉高的2脚的电压。

　　DHT11温湿度传感器的工作原理：DHT11的供电电压为3~5.5V，传感器上电后，要等待1s以达到稳定状态，期间无需发送任何指令。当要读取该器件的数据时单片机先发送一个指令，然后等待DHT11的响应，当单片机接收到DHT11的响应后才能读取DHT11采集到的数据。

　　2脚的DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯与同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间为4ms左右。数据分为小数部分和整数部分具体格式如下：

　　DATA=湿度数据高位+湿度数据低位+温度数据高位+温度数据低位+校验和

　　数据处理模块

　　数据处理模块以MSP430系列单片机为核心。MSP430单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。运行速度快。

　　MSP430 单片机有着超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在实时时钟模式下，可达2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1μA。下图为模块的电路图。

　　

　　此模块负责接收各个土壤湿度传感器，DHT11空气温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器的数据。主控模块的主要工作就是处理数据和发生指令。当单片机接收到传感器传送回来的数据(温度和湿度)时，单片机会自动的处理这些数据，并把处理好的数据在CM320240上显示。若单片机接收到的湿度值比初设值小，就会向STC15单片机发送指令，STC15单片机根据情况接通继电器即打开水阀的开关，对土地进行灌溉等操作。

　　无线模块的选择：

　　NRF905无线收发模块，采用挪威Nordic公司推出的无线通信芯片，433MHz免费ISM频段免许可证使用，串口通讯方式，应用简单无需编程即可使用，提供多达256个信道，低功耗工作，空旷地域中传输距离可达100米以上，可广泛应用于无线抄表、工业遥控、LED屏幕图文更新等无线数传领域。NRF905具有低功耗、传送距离远、低误码率等特点，适合短距离传输数据，十分适合我们的产品。所以我们选择NRF905作为我们的无线传输工具。

　　主控模块

　　主控模块是整个系统的核心，主要由单片机最小系统和4个操作按键组成。如图5所示：

　　

　　主控模块的主要工作就是处理数据和发生指令。当单片机接收到MSP430传送回来的数据(温度和湿度)时，单片机就会自动的处理这些数据，并把处理好的数据传给LCD，让其显示在上面。若单片机接收到的温度或湿度的数值比初设的值小，单片机就会向继电器发送一个指令，使继电器闭合(即打开水阀的开关，对土地进行灌溉)同时也会在液晶上显示。

　　主控模块通过流量计来计算浇水量，从而达到精确灌溉的目的，具体的浇水量由土壤种类、苗木种类、土壤容重、灌溉前土壤湿度等方面决定。具体浇水量可参考此公式

　　浇水量=灌溉面积*土壤浸润深度*土壤容重*(田间持水量-灌溉前土壤湿度)

　　执行模块

　　主要作用是驱动电磁阀，使继电器闭合，实现灌溉控制。原理图如下：

　　

　　其工作原理：这里用一个PNP型的三极管，e集接VCC，C集接继电器的3脚，用于驱动继电器闭合，b集接一个200殴的电阻，并接到单片机的P1^4口，刚开始时单片机的P1^4口是高电平，根据PNP型三极管的工作原理，e集合c集不导电，继电器接的是1脚和2脚，当单片机的P1^4口把电位拉低时，三极管导电，驱动继电器的电磁阀，使1脚和3脚闭合(相当于水阀的开关闭合导电)，从而实现灌溉功能。

　　模块中还包括液体流量计，此传感器可以检测电磁阀在打开的情况下一共流过多少水量。流量计和电磁阀串联，有三个端口，其中两个分别为电源接口和接地口，剩下一个口为输出口，输出信号为频率信号，传感器根据水流带动小涡轮转动的原理，通过测量转速来测量水量，信号传送到数据处理模块，可以准确计算出水量。为系统提供精确的灌溉水量，既能合理灌溉，又可以节约水资源。

　　显示模块

　　显示模块采用CM320240-7，具有显示内容多，分辨率高的特点。其的中文显示方式与一般的模块不同，一般的模块是在绘图模式下，以Bit-Map的方式去绘出中文，CM320240-7的中文显示方式则是在文字模式，直接输入中文字码(GB或BIG5码)，就可以在光标所在位置显示中文。

　　

　　如图所示1、3脚和16脚接地，2脚和4脚接电源，5脚接可调电位器，14到21脚接单片机的P4^0到P4^7脚。液晶显示屏显示的内容是土壤湿度传感器采集的数据，DHT11采集到的数据，二氧化碳浓度和时间等，将数据在320*240的液晶上显示，能让工作人员清楚的知道各点的环境信息，一目了然。

 

　　作品特色

 

　　先进性：

　　1、实现无线通信，减少布线麻烦。

　　2、系统可依据土壤湿度状况及时进行灌溉。

　　3、低功耗，利用太阳能转换为电能为系统供电。

　　4、系统程序内含多种监控方案，适应大多数工作环境。

　　5、通过流量计来检测灌溉水量，实现精确灌溉，。

　　实用性

　　1、在有强光的时候可以储存光能，在光弱的时候可以将储存电源中的能量提出给充电电池充电，使用方便。具有远程查看的工具，方便查看环境参数，使用方便。

　　2、引入了低功耗芯片，使系统工作时间更长。

　　3、全自动的控制，无须人员操作，简单方便。

　　4、采用了低成本的YL-69土壤湿度传感器，成本低、弱光性好的薄膜太阳能电池板，降低了产品成本，为产品的广泛应用提供了条件。

　　创新性

　　1、本系统操支持对有关参数的人工修改和远程控制。

　　2、具有电能储存模块，不像以往太阳能充电器只有在充电时才转换太阳能，而且在雨天和黑夜也能进行充电。

　　3、具有电池保护电路。

　　4、有远程监控功能。

 

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2785