基于EasyARM1138的蔬菜大棚无线监控系统从机参数检测及无线通讯毕业设计.docx

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基于EasyARM1138的蔬菜大棚无线监控系统从机参数检测及无线通讯毕业设计

摘要

随着人们对生活质量要求的提高，反季节蔬菜的市场显得捉襟见肘；在减少生产成本的基础上，如何实现大棚的智能化、提高温室蔬菜的产量，已成为亟待解决的问题。

本设计使用嵌入式微处理器EasyARM1138、E_play-89S52核心板及无线数据传输模块实现蔬菜大棚环境参数的检测及数据的无线传输。

设计中应用DS18B20传感器、湿敏电阻、MS4100CO2传感器、光敏电阻实现大棚内温度、湿度、CO2浓度、光照强度的检测。

利用LCD显示电路和52单片机实现检测数据的下位机显示，并通过控制电路实现各环境参数的控制。

利用无线数据收发模块实现52单片机与主机EasyARM1138的数据传输。

经微处理器处理后的数据被送入上位机。

应用LabVIEW软件，上位机实现数据显示、存储及报警功能。

关键词：

单片机；无线传输；环境参数；检测

WirelessmonitoringsystemofgreenhousevegetablesbasingonEasyARM1138

----Parametersfromthetestingmachineandwirelesscommunication

Abstract

Astheimprovementofthequalityoflife，however,themarketofanti-seasonvegetablesseemsdepression;Onthebasisofreducingthecostofproduction,howtocarryouttheintelligentofgreenhousesandimprovetheproductionofgreenhousevegetableswhichhasbecomeaseriousproblem.ThedesignusesembeddedmicroprocessorEasyARM1138,E_play-89S52-coreboardandwirelessdatatransmissionmoduleinordertomensuratetheenvironmentalparametersandtransmitthedataofthegreenhousevegetables.

DesignDS18B20sensors,humidityresistance,MS4100CO2sensors,photoresistorstoachievecanopytemperature,humidity,CO2concentration,lightintensitydetection.Testingdataisdisplayedinthenext-bitmachinebyLCDdisplaycircuitand52single-chip，andthroughthecontrolcircuittocontroltheenvironmentalparameters.Wirelessdatatransceivermodulesareusedtoachievedatatransferof52single-chipmicrocomputerandhostEasyARM1138.ThedataprocessedbythemicroprocessorwassenttoPC.PChasthefunctionsofdatadisplay,storageandalarmbyLabVIEWsoftware.

Keywords:

single-chip；wirelesstransmission；environmentalparameter；mensurate

第一章引言

1.1蔬菜大棚技术的发展

温室大棚是一种通过人工控制温度等环境参数，模拟农业生产的自然环境的设施。

研制和实现温室大棚自动测控，是实现农业生产自动化、高产优质的一种行之有效的方法。

信息时代的到来使传统蔬菜大棚技术有了新的发展机遇：

嵌入式的发展及无线通讯技术的成熟，为实现蔬菜大棚的环境参数无线监控提供了可能。

人们生活水平的提高，对反季节蔬菜的需求增大，为温室大棚大规模的形成提供了市场空间。

传统的温室大棚不仅效率低，而且会因为人为的误操作使得大棚环境参数得不到合理控制，从而影响蔬菜的生长。

如何高效利用蔬菜大棚，节约劳动力是大棚市场研发热点。

1.1.1课题来源背景

随着人们对生活质量要求的提高，反季节蔬菜的市场显得捉襟见肘；在减少生产成本的基础上，如何实现大棚的智能化、提高温室蔬菜的产量，已成为亟待解决的问题。

在这种形势下，嵌入式微处理器和无线通讯技术的出现，为人们从繁重的田间劳作中解放出来、实现农作物的优产高产提供了一种可能。

与传统的大棚相比，系统中采用了低价、低功耗和高可靠性的硬件电路，实现了人们对大棚环境参数的实时可靠监控，进而使农作物能够按最优方式生长。

采用本系统后不仅可以节约大量生产力，而且由于降低了硬件成本，使得系统的广泛普及成为可能。

1.1.2国内外研究现状

就我国而言，人们生活水平质量的提高使得对反季节蔬菜的需求激增，而我国的蔬菜大棚使用率还不是太高。

智能大棚的基本目标，就是为人们提供一个适宜、安全、方便和高效率的蔬菜培育环境，提供一种富有人性化的操作界面。

在硬件方面，由于成本和应用领域的要求，目前应用较多的嵌入式微处理器是8位的微处理器。

这些微处理器的片内资源比较少，相应的软件也不太庞大，因此比较复杂的功能不容易在这些微处理器上实现。

1.2系统设计内容及功能描述

蔬菜大棚安装无线监控系统后，利用ARM1138开发板配以自主开发的光照强度、温度、湿度、CO2浓度检测模块以及相应的执行机构和无线收发模块，可用于上述参量的检测、传输、显示与调节；主机ARM1138开发板连接无线传输模块实现各参数的接收，用户可以通过上位机实现参数的显示和存储。

此系统可以应用在多种蔬菜种植环境，用户只需更改相应的环境参数标准值就可轻松实现不同蔬菜种植环境的变换。

此系统调整后也可以应用于家庭、教室等多种场合，实现方法就是改变相应的参数设置和执行机构设置。

具有以下功能：

①实时检测大棚内温度、湿度、CO2浓度以及光照强度，并通过上位机实现参数的显示与存储；

②利用无线收发模块进行无线数据传输，便于组网，避免了繁琐的布线；

③能够根据环境参量的变化发出控制信号，将环境参量调整到最佳状态；

④能够根据用户提供的环境参数标准值，计算得到新的控制命令。

1.3温室大棚内重要参数的调节与控制

1.3.1温度的调节与控制

温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面。

（1）加温

加温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。

热风采暖系统由热风炉直接加热空气及蒸汽热交换空气两种，前者适用于塑料大棚，后者适用于有集中供暖设备温室；热水采暖系统的稳定性好、温度分布均匀；土壤加温有酿热物加温、电热加温和水暖加温。

（2）降温

降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的要求时，须进行人工强制降温。

降温包括遮光降温法、蒸发冷却法及强制通风降温法。

遮光降温法：

其中一种是在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效；蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入内，达到降温目的。

蒸发冷却法：

风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。

（3）保温

保温措施包括减少灌流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。

减少灌流放热和通风换气量包括减少向温室内表面的对流传热核辐射传热、减少覆盖材料自身的热导散热、减少温室外表面向大气的对流和辐射传热；增大保温比是适当的减低温室的高度，缩小夜间保护设施的散热面积；增大地表热流量可以采用增大保护设施的透光率、设置防寒沟，防止地中热量横向流出。

1.3.2空气湿度的调节与控制

除湿的方法有通风换气、加温除湿、覆盖地膜适当地控制灌水量、使用除湿机、除型热交换通风装置。

一般采用自然通风，达到降低温室内湿度的目的；在有条件的情况下，可采用强制通风；其他的方法如覆盖地膜、热泵除湿等也能达到除湿的目的。

加湿的方法包括喷雾加湿、湿帘加湿。

喷雾加湿时可根据室内面积选择合适的喷雾器，加湿效果明显，常与降温结合使用；湿帘加湿主要用来降温，同时也可达到加湿的目的。

1.3.3二氧化碳含量的调节与控制

在温室大棚环境中，经常处于密闭状态，缺少内外气体交换，二氧化碳浓度变幅较大，中午温室内由于光合作用，二氧化碳浓度下降，接近甚至低于补偿点应及时补充二氧化碳，常用的方法主要有两种：

燃烧法：

通过二氧化碳发生器燃烧液化石油气、丙烷气、天然气、白煤油等产生二氧化碳。

化学反应法：

即用酸和碳酸盐发生化学反应产生二氧化碳。

在简易的气体发生装置内产生二氧化碳气体，通过管道将其施放于设施内。

该法成本较低，二氧化碳浓度容易控制。

1.3.4光照强度的调节与控制

光合作用是一个光生物化学反应，所以光合速率随着光照强度的增加而加快。

在一定范围内几乎是呈正相关。

但超过一定范围之后，光合速率的增加转慢；当达到某一光照强度时，光合速率就不再增加，这种现象称为光饱和现象（lightsaturation）。

根据对光照强度需要的不同，可把植物分为阳生植物（sunplant）和阴生植物（shadeplant）两类。

阳生植物要求充分直射日光，才能生长或生长良好。

阴生植物是适宜于生长在荫蔽环境中，它们在完全日照下反而生长不良或不能生长。

农作物虽然没有阴生植物和阳生植物之分，但不同作物对光照强度的要求是不同的。

光是光合作用的能源，所以光是光合作用必需的。

然而，光照过强时，尤其炎热的夏天，光合作用受到光抑制，光合速率下降。

如果强光时间过长，甚至会出现光氧化现象，光合色素和光合膜结构遭受破坏。

低温、高温、干旱等不良环境因子会加剧光抑制的危害。

对于蔬菜大棚的光照控制，系统能简单的处理弱光强时的情况，即打开普通的日光灯，以便增强光照强度。

通过持续的光强检测，能够适时地调节光照过低的情况。

当光强高于设定值时，系统停止对光强的动作，以防止资源的浪费。

第二章课题设计方案

利用温度传感器、湿敏电阻、CO2传感器、光敏电阻搭载相应的检测电路实现温室大棚环境参数的测量，通过无线收发模块实现52单片机与EasyARM1138的无线数据传输，上位机实现各参数的显示及存储。

2.1蔬菜大棚无线监控系统总体描述

总体：

实现蔬菜种植的全方位智能监控。

主机：

EasyARM1138通过无线收发模块读取各大棚环境参数数据信息，实现与上位机的数据传输。

上位机：

接收主机传送的数据信息，应用LabVIEW软件与用户设定好的标准参数进行比较，进行实时监视与最优控制，并在必要时通过闪烁警报灯发出警报，通知用户及时进行管理。

从机：

采用52单片机作为从机，其可以控制各执行机构动作并向主机传回所在温室中各模块采集回来的有用信息。

系统整体框架见下图2.1：

图2.1系统原理结构框图

2.2系统各子模块实现方法

★测温、测湿、测CO2浓度、测光强模块

通过搭建测温（DS18B20温度传感器）、测湿（湿敏电阻）、测CO2浓度（MS4100CO2传感器）、测光强（光敏电阻）模块，达到测量的目的。

★数据A/D转换模块

A/D转换器采用CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器AD0809，通过搭载相应的外围电路即可实现湿度、CO2浓度、光强环境参数的模数转换。

★控制模块

从机接受到检测信号后，通过数学运算得到控制参量，进而通过调整阀门开度或电机的转动（系统中采用继电器来模拟）来实现调整环境参数的目的。

★从机数据显示模块

从机数据显示采用北京理工达盛科技有限公司的产品OCMJ中文模块系列液晶显示器，其内含GB231216*16点阵国标一级简体汉字和ASCII8*8（半高）及8*16（全高）点阵英文字库，用户输入区位码或ASCII码即可实现文本显示。

★通讯模块

通讯模块采用SP无线数据传输模块进行由从机到主机的检测数据传输，实现大棚的无线连接。

★数据显示存储部分

基于上位机LabVIEW软件实现数据的显示与存储，当出现超出范围的环境参数时，其能提示报警功能，以供用户查看处理。

第三章EL-MUT多CPU单片机/微机原理实验开发系统

3.1试验箱结构简介

该实验系统由一块基本底板、CPU板构成，其结构图如下：

图3.1试验箱结构图

㈠基本底板包含以下实验模块：

⑴8255可编程I/O实验模块      ⑵8279可编程键盘显示模块

⑶8253可编程定时模块           ⑷8250可编程串行口模块

⑸0832可编程D/A转换模块      ⑹0809可编程A/D转换模块

⑺8237DMA控制模块              ⑻244/273简单I/O口模块

⑼单脉冲发生模块               ⑽8259中断控制模块

⑾数字开关量输入模块          ⑿LED、发光二极管显示模块

⒀RAM存储器扩展模块           ⒁LCD液晶模块

㈡CPU板：

该实验系统目前支持80C31、89S51、KeilC51、8086、Cygnal51、AT91M40800，PCI32多种CPU板实验，可以方便升级换代。

㈢扩展接口：

1.通用接口模块：

多路定时器、串并A/D或D/A、在系统可编程器件、串行口、并行口等。

2.人机界面模块：

8个LED数码管，4个8×8的点阵、16×16LED点阵、2×8字符LCD、32×320点阵LCD，4×4行列式键盘、光栅显示器等。

3.信号变送隔离模块：

八路模拟量输入输出、12路光耦隔离、14路继电器输出/输入、感应卡等。

4.执行机构模块：

包括微型打印机、直流调压调速电机、PWM电机、温控炉、步进电机、IC卡读写头等。

5.通信模块：

包括232、485、CAN、USB、无线数据通信、Modem模块、蓝牙模块、以太网模块等。

6.传感器模块：

人体红外、压力、温度、超声测距等。

3.2系统特点简介

1.系统采用模块化、积木式设计，提高了灵活性和适应性。

2.本系统（51、86、ARM等）软件配有系统调试软件，系统调试软件分DOS版和WINDOWS版两种，都是中文、多窗口界面。

集源程序编辑、工程文件编译、连接、调试于一体，每项功能均为汉字下拉菜单，简明易学。

经常使用的功能均备有热键，这样可以提高程序的调试效率。

单片机调试软件可支持汇编和C语言两种开发语言。

3.本实验装置既可以联计算机使用，也可以单独使用。

4.开发功能：

完成8086/51/ARM微机原理/单片机实验开发及仿真功能。

5.系统支持PC机虚拟示波器功能，可用于观测和测量实验中的输出信号。

6.系统功能齐全，可扩展性强。

随着CPU、单片机不断的升级换代，如果用传统的CPU与接口电路一体的设计方法，势必造成CPU淘汰，该实验装置也淘汰，该系统由于采用CPU与接口电路分体设计，随着CPU、单片机不断的升级，只需更换不同的CPU系统板即可完成系统升级。

该实验装置将系统的三大总线（控制总线、数据总线、地址总线）和系统监控、地址译码电路开放给用户，用户既可以自己设计相应的功能模块，完成单片机电路开发，也可以通过选购设备厂商提供的扩展模块，更加方便的完成单片机设计。

7.系统配有CPLD可编程器件，可通过灵活编程完成单片机实验的二次开发。

8.系统从单元电路到大系统构成，从基础知识到尖端技术应用，从支持基础实验到课程设计。

9.提供上百个实验项目与课题，解决课程设计、毕业设计的课题问题；从小到大的模块化设计，无限扩展的组合设计空间提供永不淘汰的实验平台。

开放的设计理念，公开的技术资料，保障验证性实验，设计性实验，电子实训，达到从学校到社会的无缝连接。

3.3系统核心芯片AT89S52相关介绍

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

3.3.1主要性能

●与MCS-51单片机产品兼容

●8K字节在系统可编程Flash存储器

●1000次擦写周期

●全静态操作：

0Hz～33Hz

●三级加密程序存储器

●32个可编程I/O口线

●三个16位定时器/计数器

●八个中断源

●全双工UART串行通道

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●掉电标识符

3.3.2功能特性及管脚描述

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

引脚号第二功能：

P3.0RXD（串行输入）

P3.1TXD（串行输出）

P3.2INT0（外部中断0）

P3.3INT1（外部中断1）

P3.4T0（定时器0外部输入）

P3.5T1（定时器1外部输入）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器读选通）

图3.2下位机实物图（无线模块位于下面板）

第四章蔬菜大棚环境参数无线监控系统硬件设计

大棚环境参数关系到棚内蔬菜生长的好坏。

如果能实时监测环境参数，当环境参数超出蔬菜生长允许范围时，及时提出报警，有利于蔬菜生长。

因此，搭载相应的环境参数检测电路，通过从机与主机的无线通讯能够及时反映环境参数的变化。

4.1温度检测电路

4.1.1温度传感器的发展

随着科技的发展，用于温度测量的传感器也不断的发展，原理也各不相同。

在家庭中常用的有水银温度计利用的是水银的热胀冷缩性质。

水银温度计使用很方便，但是只能用于就地显示，不能远传而且精度不高。

常用的还有热敏电阻传感器，它利用的是电阻的阻值随着温度的变化而改变的特性即电阻的负温度系数特性。

常用的热敏材料有铜、铂等，这种传感器输出电信号可以通过变送器远传，但是温度，电阻之间是非线性关系，而且易受其他的各种因素的干扰，后续设计的电路较复杂。

还有一些非接触式的温度传感器如：

红外线测温仪、光纤传感器，这些传感器虽然测温精度比较高但是价格比较昂贵。

现在半导体材料的飞速发展，集成温度传感器在中低测量中得到广泛的应用。

集成温度传感器是利用晶体管PN结的正向压降随温度升高而降低的特性，将晶体管的PN结作为感温元件，把感温元件、放大电路和补偿电路等部分集成，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。

它与半导体热敏电阻一样除具有体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性能高、价格低、抗干扰能力强等特点，虽然由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测150℃以下的温度，所以用于室温的测量是很好的选择。

4.1.2单总线数字温度传感器DS18B20

4.1.2.1DS18B20概述及功能特性

DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理，而且可以在一条总线上挂接任意多个DS18B20芯片，构成多点温度检测系统无需任何外加硬件。

DS18B20数字温度传感器可提供9~12位温度读数，读取或写入DS18B20的信息仅需一根总线，总线本身可以向所有挂接的DS18B20芯片提供电源，而不需额外的电源。

非常适合于多点温度检测系统，硬件结构简单，方便联网，在仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用。

温度传感器DS18B20有如下特点：

（1）数据传输采用单总线（1-WireBus）结构，无需外围其它元件；

（2）能应用在分布式测量系统中；

（3）温度输出为9bit~12bit可编程；

（4）测温范围为-55℃~+125℃，在-10℃~85℃时精度为±0.5℃；

（5）输出分辨率为12bit时最大的转换时间为750ms；

（6）具有可编程的温度报警功能；

（7）具有可靠的CRC数据传输校验功能；

（8）电源电压范围为3~5.5V；

（9）低功耗，无外部供电电源也能可靠工作。

4.1.2.2DS18B20的工作原理

DS18B20内部包含四个主要的部件：

（1）64位刻录的二进制ROM码；

（2）温度传感器；（3）非易失性温度报警触发器；（4）一个配置寄存器。

该器件可以从单总线上得到能量并储存在内部电容中，该能量是当信号线处于低电平期间消耗，在信号线为高电平时能量得到补充，这种供电