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作者：西藏大学 李琳彬 章荣利 益江

指导教师：李勇峰

作品简介

　　(一)背景

　　改革开放以来，我国经济发展一直走的是靠自然资源的巨大消耗为代价的路子，作为一个有责任感的发展中大国，我们不能再继续走这条传统的消耗性道路。所以，能源与环境问题是当今社会普遍关注的热点。太阳能是地球上一切能源的来源，而西藏地处青藏高原，地形地貌复杂，自动化农机设施布线成本较高，但其太阳能资源极度丰富，我们应该合理有效的利用其优势来发展。基于无线网络智能温室控制系统能高效合理的利用水资源，有效缓解西藏地区缺水现状，且无线网络将大幅度降低西藏地区布线成本。

　　(二)作品特色与创新之处

　　针对西藏地区太阳能丰富的特点，设计了一种以太阳能为主，市电为辅的供能模式的具有自适应传感网络对温室大棚去的农作物生长主要环境参数实时监控，数据通过基于nRF2401的无线传感网络络传输，经过中央监控终端的处理后，对各设备进行智能自动化控制。利用其太阳能丰富的优势来发展建设温室大棚设施能有效解决西藏地区农产品单一的困境;应用成熟的无线网络传感技术，可降低西藏地区自动化控制系统的布线成本和实现人工远程监控，能有效解决目前国内大多数自动化灌溉设施决策不够精确，实时性不强等问题。实际上，这个单片机系统可以运用于大型温室的无线网络中，基层节点设备。

　　(三)作品结构说明

　　基于无线网络智能温室控制系统是一款以太阳能优先供电并添加市电互补的智能化灌溉设施，其中所需要的模块主要有显示模块、控制模块、传感模块、驱动模块、能源模块、无线传输模块。

　　①该装置的硬件结构框图如图所示：

　　(三)功能与使用说明

　　整个系统检测温室大棚里的光照、温度、土壤湿度等环境参数，自动化智能控制农机设备的运行。利用无线网络，可使得用户远程监控设备的运行及温室内环境参数的变化。

　　(四)成品图片

平台选型说明

　　STCK15S2K60S2系列单片机总体介绍

　　STCK15S2K60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用第八代加密技术，加密超强，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟，+-1%温飘，5MHz-35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部以及呈高度可靠电路，8级可选复位门槛电压)。3路CCP/PWM/PCA。8路高速10位A/D转换(30万次/秒)，内置2K字节大容量SRAM，2组高速异步串行通信端口(UART1/UART2，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可做5组串口使用)，1组高速串行通信端口SPI，针对多串行口通信/电视控制/强干扰场合。

设计说明

　　(一)整体设计

　　由传感器、STCK15S2K60S2微处理器、nRF2401通信模块和太阳能供能模块组成。传感器终端节点由各传感器模块(表1)对土壤温湿度、空气温度、光照强度等环境参数进行收集，把A/D采样数据通过nRF2401无线网络输送给传感器终端节点的微处理器，微处理器对数据进行单片机模糊计算处理后通过nRF2401无线网络对设备控制节点发出控制命令为中央监控终端提供实时的农作物生长环境状态数据。中央处理终端也可以利用无线网络对传感器终端节点进行人工检测。

　　表1 传感器型号参数表

　　(二)传感器设计

　　本作品运用的自制传感器模块如图2、3、4所示，利用运算放大器(LM358D)电路把微弱的电流信号放大转换为电压信号给予单片机处理，降低了传感器成本。并且单片机模糊算法处理单一喷水口覆盖区域中的多个传感器信息，智能化控制设备模块，不但能弥补自制传感器模块精确度降低的缺陷，而且使得哪块区域需求立即控制那块区域的相应设备进行工作，且区域与区域之间互不影响，从而实现了土地智能化精确性管理。无线技术的运用，使得灌溉信息的传递更加方便和有时效性。与现有的自动化灌溉设施的大面积同步灌溉相比，具有了智能自动化灌溉和更加节水节能的优点。

　　图2 光敏传感器电路图

　　图3 温度传感器电路图

　　图4 湿度传感器电路图

　　(三)驱动设计

　　驱动模块是以L293D驱动芯片构成的双H桥电路，如图5所示，本驱动模块对称电路，可以驱动两组设备运行，其中4、5和6、7端口为单片机连接端口，2、3和8、9端口为小型水泵电机连接端口。其原理是4、5端口或6、7端口一旦产生电压差，其L293D芯片将把这个电压差按照比例放大输出。

　　图5 端口驱动电路

　　(四)供能模块

　　1、太阳能供电模块

　　在图6所示的太阳能供电模块电路中。当Key1接J2时，选择太阳能系统供电，此时红色LED2点亮。电路首先通过整流二极管1N5404整流，然后经RC滤波电路滤波，最后通过稳压二极管1N47744将电压稳定为直流15V，再通过过充保护电路为蓄电池充电。其中1N5404硅整流二极管 ，其最大反向峰值电压为400V,最大半波整流电流为3A。稳压二极管1N4744最大功耗为1mW，稳定电压为15V，最大电流是57mA。

　　图6太阳能供电模块

　　2、过充过放电路

　　如图所示为过充过放保护电路，本设计主要基于三端可调分流基准源TL431[7]和继电器的应用，实现对铅蓄电池充放电保护。如图7所示，为过充保护电路，供电模块通过继电器为蓄电池充电，当电路检测到蓄电池电压大于13V时，绿色LED4亮，继电器将开关向下吸合，断开充电回路，实现过充保护。如图8所示，为过放保护电路，蓄电池电压大于12V时LED6灯亮，继电器向下吸合为负载提供能量，当蓄电池电压低于10.5V时继电器向上断开放电回路，实现过放保护。

　　图7过充保护电路图

　　图8过放保护电路图