农业大棚自动控制系统

李美丽　付兴烨　卢振生（绥化学院电气工程学院　黑龙江绥化　152061）



农业大棚自动控制系统

李美丽付兴烨卢振生
（绥化学院电气工程学院黑龙江绥化152061）

摘要：文章以Cortex- M3为核心，实现了农业大棚的自动化控制。对大棚环境中的各种信息（如温度、湿度、光照等）进行采集，设计了一套能实时控制温室内温度、湿度、光照强度以及土壤湿度等多参数的测控系统。通过该系统的自动调节作用，使温室中环境参数处于事先确定的最佳值，为农作物提供良好的生长环境，并以液晶显示方式通知给用户。综合运用了TFT液晶显示、AM2301温湿度传感器等功能模块，实现了农业大棚的自动控制。

关键词：Cortex- M3；温度；湿度；光照；自动控制

一、系统方案

本设计利用了Cortex-M3开发出的一个高端农业大棚内部环境的自动控制系统。系统结构如图1-1所示，系统的中心是以Cortex-M3为处理器且集中了丰富的传感器硬件资源，由其完成环境数据的采集和自动处理，该系统具有以下功能和特点：

（一）大棚的各种设备的工作状态和内部环境参数可以在液晶屏上直观显示。

（二）当大棚的设备或内部环境变量放生异常时系统本身可进行自动控制，同时显示在液晶屏上以通知用户。

二、功能与原理

（一）实现功能。本系统是以Cortex-M3为处理器，通过AM2301温湿度传感器和光敏电阻进行实时测控大棚内的温度、湿度和光照强度，如果大棚内的环境发生异常，蜂鸣器自动报警，处理器自动控制风扇、水泵，保温布帘、补光灯等设施调节大棚内的环境以达到植物生长的正常状态。

如果温度和湿度超出设定标准，系统自动控制风扇工作来降低温度和湿度达到标准值。温度低于标准值时，系统自动模拟升温。湿度较低时，控制系统通过控制水泵从蓄水池中取水给大棚内的农作物喷淋，防止农作物干旱。

图1系统结构

当夜晚到来或阴雨天气时，通过外部光敏传感器检测，外部光照不能使大棚内的农作物正常生长时，系统自动控制大棚内的补光灯发光，来补偿农作物的正常光照，同时卷帘下落，覆盖大棚以保持大棚内的温度。当阳光充足时，保温卷帘自动卷起，补光灯自动熄灭。

（二）实现原理。

1.主控制板。主控制板的硬件主要包括：Cortex-M3模块、AM2301温湿传感器和我们自己制作的驱动板。

在本套系统中我们使用了基于Cortex-M3内核的芯片，其型号为为LM3S-2948，该芯片支持最大主频为50MHz，256Kbyte FLASH，64 Kbyte SRAM，LQFP-100封装。集成CAN控制器、睡眠模块、校正编码器、ADC、带死区PWM、温度传感器、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器、I2C、CCP等外设。配以6MHz主时钟以适应不同的应用需求。为方便CPU仿真及下载程序而提供的侧插JTAG接口。硬件复位按键RESR可以随时按动实现硬件复位。总线接口部分P1、P2、P4实现与扩展板的连接。电源可以通过总线或POWER接口两种方式提供+5V，通过低压差稳压源SP6201EM5-3.3稳压至+3.3V。

考虑到系统的安全问题，水泵和风扇等控制部分用继电器进行控制。用L293N来驱动自动升降保温布帘的电动机，并用光电耦合器进行主板与电动机的隔离，防止较大的电流烧毁主控芯片。系统的主电路如图2所示。

2.各环节实现原理。

（1）温湿度控制。大棚内部的温度和湿度通过AM2301温湿传感器采集，处理器实时检测大棚内的温度和湿度，并与标准值进行比较。当温度或湿度高于标准值时，系统自动控制大棚两侧的风扇工作进行通风处理，以达到降温和排除水分的作用。当温度低于标准值时，系统自动控制大棚内的模拟升温装置加热，防止温度低影响大棚内农作物正常生长。当检测到大棚内湿度值低于标准值时，启动喷淋系统进行滴灌，处理器自动控制水泵从蓄水池中取水自动滴灌。防止农作物干旱。喷淋系统是由水泵、蓄水池和滴灌装置构成的。

（2）光照强度控制。为了保证大棚内的农作物的正常生长，需要保证大棚内的光照强度。本设计中的光照强度通过光敏传感器采集，处理器实时检测外界的光照强度。当外界光照不足或夜晚时，大棚内设的补光系统会自动开启。同时保温布帘会自动下落覆盖在大棚上方，起到保温和遮光的作用。保温布帘的起落停止由处理器自动控制，通过控制电动机和伸缩轴同时检测光电门的状态实现。

（3）液晶屏。本设计中使用了3.2寸TFT彩色液晶屏进行图形文字的显示，屏幕分辨率为240*320dpi，带手写输入功能，单3.3V供电，16位并行数据接口驱动。为用户提供了一个良好的使用界面，用户可以通过显示屏直接获得大棚内部环境的参数和各模块的工作状态。

图2主电路图

（4）传感器。在本设计中主要应用的传感器有：AM2301传感器、光敏传感器、位置检测传感器。

本设计中采用了AM2301温湿传感器，用于实时采集大棚内部的温度和湿度。AM2301数字温湿度传感器是一款单总线数字信号输出的温湿度传感器。该传感器包括一个电容式湿度检测元件和一个热敏电阻测温元件，并且自身集成了一个8位的单片机，用来同用户设备进行通信。每个AM2301传感器在出厂前都经过校准。校准系数以程序的形式储存在传感器内存中，传感器内部在将环境变量转换为数字信号的过程中要调用这些校准系数。采用了光敏传感器，用于检测大棚外部的光照强度，反馈给处理器来实现对大棚内部光照强度的控制。采用位置检测传感器与大棚外侧的伸缩轴和电动机配合实现保温布帘的卷起和下落。位置检测传感器是一种一体化反的光电探测器，一端有个线性光源，另一端有个光敏电阻，门中无物体阻挡时光照射到光敏电阻上。有光照时光敏电阻阻值减小，光敏电阻两端为低电压。当门中有物体阻挡时，光敏电阻受到光照度减小，电阻增大，光敏电阻两端为高电压。其内置可见光过滤器，能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。此光电门传感器调理电路简单，工作性能稳定。

三、总结

在本套系统中运用了多方面的技术，传感器的应用，使大棚系统更加智能化，在测量温度和湿度上，运用了温湿度结合传感器，做到了温湿度结合测量，处理方便，更加实用，执行部分的设计和实现使这大棚控制系统更加的自动化，给用户提供了现代农业大棚的方便。

参考文献：

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[4]曹彩萍.基于单片机的键盘接口的设计与实现[J].电脑知识与技术，2006(1)：7-9.

[责任编辑郑丽娟]

Agricultural Greenhouse Automatic Control System

Li Meili Fu Xingye Lu Zhensheng
(Suihua University, Suihua, Heilongjiang 152061)

Abstract:This paper, using the M3 as the core, has realized the automatic control of agricultural greenhouses. The greenhouse environment (such as temperature, humidity, illumination, etc.) is collected in order to design a set of real-time control in the greenhouse temperature, humidity, light intensity and soil humidity parameter measurement and control system. Through the system of automatic adjustment function, it makes the best of greenhouse environment parameters in a pre-determined value, and provides a good growth environment for crops, and notify in liquid crystal display to the user. This design integrated use of TFT LCD, AM2301 function such as temperature and humidity sensor module, and realized the automatic control of agricultural greenhouse.

Key words:Cortex-M3; temperature; humidity; light; the automatic control

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：2095- 0438（2016）05- 0146- 03

收稿日期：2015-12-21

作者简介：李美丽（1982-），女，黑龙江绥化人，绥化学院电气工程学院讲师，研究方向：材料物理及电气自动化。

基金项目：绥化学院新农村建设研究项目（SXK120202）；绥化学院教育教学改革项目（JS20140051）；黑龙江省高等学校教改工程项目（JG2014011118）。