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智能农林小气候信息采集系统

renazan2000
专家
2013-01-06 11:41:31     打赏

作者：浙江农林大学 葛頔 陈明辉 尹菲
指导教师：曾松伟

　　产品简介

　　1、 开发背景
　　随着时代的发展，数字农业已成为农业信息化科学技术研究的重要内容，其科技创新成果的农业示范应用，将是21世纪农业科技进步的重要标志之一。为了实现农业信息化，精准农业的实施是至关重要的。而农林小气候信息的采集是精准农业实施中关键的一环。为满足农业信息采集中检测周期长及实现自动化管理的需求，我们设计了基于多种传感器的农林小气候信息获取系统，实现农林信息的自动获取及传输，极大方便了农林以及农田信息的监测与采集，进一步推进了农业的发展。

　　2、 结构说明
　　本系统共由数据采集、数据接收两部分组成。如图1所示，数据采集部分包括核心控制器C8051F020单片机、温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、LCD显示和无线传输模块。数据接收部分包括STC89C51单片机、LCD显示、湿度报警系统和无线数据采集部分。数据采集端将装置所在地的温度、湿度及光照强度值采集后，通过无线传输模块实时传递给接收装置，并在液晶显示器上显示。若湿度低于设定值，则警报系统工作。　　

　　3、 功能与使用说明
　　² 功能：
　　该系统能够实现温度、湿度、光照值的自动检测以及近距离自动传输功能。在数据采集端与数据接收端均能实时显示所采集到的温湿度以及光照值，并且具有湿度越界报警功能。真正实现了农田及温室大棚各重要参数的无人监测。

　　² 使用说明：
　　该系统使用方法简单，无需任何复杂操作。将数据采集装置放置在监测点后，接通电源即能开始数据采集工作。数据接收装置要放置在距离数据采集装置三百米范围内，接通电源即能接收到数据，并在液晶显示器上实时显示。当监测点湿度低于一定数值时，数据接收装置发出警报。

　　设计说明

　　1、 系统原理图
　　1) 数据采集部分：　　

 图2-1 数据采集部分最小系统　　

 　图2-2 无线发射模块                      图2-3 温湿度传感模块                   图2-4 12864显示模块

　　2) 数据接收部分：　　

 　　2、 设计方案
　　该系统由数据采集部分及数据接收部分组成。数据采集部分主要负责采集，显示并且传输数据。数据采集部分的核心控制器选用C8051F020单片机，其强大的功能完全能够满足设计所需。温度传感器以及湿度传感器采用集温湿度传感于一体的DHT11温湿度传感器。光照强度传感器选择精确度及灵敏度都较高的BH1750FVI光照传感器。数据接收部分的核心控制器选用STC89C52单片机，主要完成数据的接收、显示及警报任务。无线数据传输模块选用CC1100无线通信模块，其传输距离可达到三百米。显示部分均使用带中文字库的12864液晶显示器实时显示数据。

　　3、 设计原理
　　1) 核心控制器
　　C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片。其功能特点：

  • 具有 64 个数字 I/O 引脚 。
  • 高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核(可达 25MIPS)
  • 全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)
  • 真正 12 位 、 100 ksps 的8 通道 ADC， 带 PGA和模拟多路开关
  • 真正 8 位 500 ksps的 ADC，带 PGA和 8 通道模拟多路开关
  • 两个 12 位 DAC，具有可编程数据更新方式
  • 64K字节可在系统编程的 FLASH存储器
  • 4352(4096+256)字节的片内 RAM
  • 可寻址 64K字节地址空间的外部数据存储器接口
  • 硬件实现的 SPI、SMBus/ I2C 和两个 UART 串行接口
  • 5 个通用的 16 位定时器
  • 具有 5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列
  • 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器
  • 具有片内 VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F020/1/2/3 是真正能独立工作的片上系统。
  • 所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和 配置。
  • FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。
  • 片内 JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU进行非侵 入式(不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、 单步及运行和停机命令。 在使用 JTAG调试时， 所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
  • STC89C52功能特点如下：
  • 与MCS-51 兼容
  • 4K字节可编程闪烁存储器
  • 寿命：1000写/擦循环
  • 数据保留时间：10年
  • 全静态工作：0Hz-24MHz
  • 三级程序存储器锁定
  • 128*8位内部RAM
  • 32可编程I/O线
  • 两个16位定时器/计数器
  • 5个中断源
  • 可编程串行通道
  • 低功耗的闲置和掉电模式
  • 片内振荡器和时钟电路
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关键词： 智能     农林     小气候     信息     采集     系统     传感器     数据    

renazan2000
专家
2013-01-06 13:15:05     打赏
2楼

　　2) 温湿度传感器
　　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。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。DHT11 与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O 口。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。传感器内部湿度和温度数据 40Bit 的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。

　　3) 光照强度传感器
　　BH1750FVI 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。(1lx-65535lx)　　

  •  如图3-1所示，当光照强度大于10lx时，测量结果随光强度线性变化。
  • 图3-2为BH1750FVI光照传感器内部框图：
  • PD 接近人眼反应的光敏二极管。(Photo diode with approximately human eye response.)
  • AMP 集成运算放大器：将 PD电流转换为PD电压。
  • ADC 模数转换获取16位数字数据。
  • Logic + IC Interface(逻辑+ IC界面) 光强度计算和I2C总线接口，包括下列寄存器： 数据寄存器→光强度数据寄存。初始值是：“0000_0000_0000_0000”。 测量时间寄存器→时间测量数据寄存。初始值是：“0100_0101”。
  • OSC 内部振荡器(时钟频率典型值：320kHz)。该时钟为内部逻辑时钟。

　　4) 无线传输模块
　　CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在 315、 433、 868 和915MHz 的 ISM (工业，科学和医学)和 SRD(短距离设备)频率波段，也可以容易地设置300-348 MHz、 400-464 MHz和 800-928 MHz 的其他频率。RF 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达 500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。 CC1100 为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100 的主要操作参数和 64 位传输/接收FIFO (先进先出堆栈) 可通过 SPI 接口控制。在一个典型系统里，CC1150 和一个微控制器及若干被动元件一起使用。　　

 　　CC1100 引脚图如图3-3所示，内部简化框图如图 3-4所示。 CC1100 用作一个低 IF 接收器。接收的 RF信号通过低噪声放大器(LNA)放大，再对中间频率(IF)求积分来向下转换。在 IF下，I/Q信号通过 ADC 被数字化。自动增益控制(AGC) ，细微频率滤波和解调位/数据包同步均数字化地工作。 CC1100 的发送器部分基于 RF 频率的直接合成。频率合成器包含一个完整的芯片 LCVCO， 和一个对接收模式下的向下转换混频器产生 I和 Q LO信号的 90 度相移装置。 一块晶体将连接在 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2上。晶体振荡器产生合成器的参考频率，同时为数字部分和 ADC 提供时钟。一个4线SPI串联接口被用作配置和数据缓冲通路。 数字基带包括频道配置支持，数据包处理及数据缓冲。

　　5) LCD显示模块
　　液晶12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称。数据总线 8 位并口/6800 方式 串口字符显示 带中文字库的128X64-0402B每屏可显示4行8列共32个16×16点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中 文字符或2个16×8点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。带中文字库的128X64-0402B内部提供128×2字节的字符显示RAM缓冲区(DDRAM)。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM(中文字库)、HCGROM(ASCII码字库)及CGRAM(自定义字形)的内容。三种不同字符/字型的选择编码范围为：0000～0006H(其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个)显示自定义字型，02H～7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0H～F7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。字符显示RAM在液晶模块中的地址80H～9FH。字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系。

　　6) 程序流程图　　

图3-5 数据采集端流程图图3-6 数据接收端流程图

　　产品特色

　　该系统以STC89C52和C8051F020单片机为核心控制器，以温湿度传感器、光照传感器为基础，设计的一种田间信息收集，传输和处理的系统，该系统可方便快速的实现农田信息的自动采集自动传输自动处理，为实现传统农业自动化管理提供了一种可行性方法，在现代农业科技化中起到关键作用。
　　本系统采用各类前端传感器采集数据，通过无线发送模块传送至数据接收中心，可以自动抓取所需的信息。通过传感器将田间的温度、湿度等数据精确、快速地收集起来，比传统的人工采集信息方式效率大大提高。提供完整的从传感器信息的采集，无线传感网络的数据传输配合革新的软件分析和决策一整套方案，能对农业信息进行快速，全面，准确的测量，动态实时的采集信息和处理。可以对获取的信息进行自动处理，直接生成简单明了的结果，并迅速将信息“智能”地推送给用户，通过液晶显示器和报警器直接的将有用信息告知用户。系统成本造价低，配置灵活，通用性好，这样的系统一旦开发成功就可直接推广，且其不会受地域限制，将会是一款很又实用价值和开发价值的产品。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2315


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