蔬菜大棚管理系统论文范文

本站小编为你精心准备了蔬菜大棚管理系统论文参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

1监控从节点硬件结构平台

监控节点的设计是系统的关键，决定了采集蔬菜大棚参数的准确性和控制调节的有效性［5］。监控从节点主要分为大棚内空气温湿度从节点和土壤水分监控从节点，都在同一个硬件平台上开发而成，根据不同的功能选择不同的模块即可实现。节点硬件主要由处理器STM32F103、温湿度传感器AM2302、土壤水分传感器SM2802M、无线串口透传模块E17－TTL100－SMA和供电管理单元组成，并辅以定点滴管系统和通风分机控制系统。节点硬件平台结构如图2所示。节点采用了功能强大的处理器STM32F103作为控制核心，具有高性能的32位的RISC处理内核，工作频率为72MHz，内置高达128k字节的闪存和20k字节的SRAM，可以存储系统参数、程序和临时运算［6］;有丰富的增强I/O端口、3个USART接口和1个USB接口，供电电压为2．0～3．6V，省电模式为系统提供低功耗的保证。

1．1无线串口透传模块为了增加无线传输的距离，并改进通信质量和可靠性，采用无线串口透传模块E17－TTL100－SMA。其由高性能无线射频芯片构成，工作的中心频率为开放的433MHz，供电电压为1．8～3．6VDC，最大发射功率高达100mW，接收电流为35uA，休眠模式下的待机电流仅为2．1uA;可以接受串口命令，在空旷的场地最大传输距离为1800m;具有标准的TTL接口，收发双方相当于连接了一条串口电缆，免去了复杂的通信协议，在命令模式下可设置多种通信波特率。模块通过串口与控制器STM32F103的USART接口相连，采用默认的9600波特率进行通信交互［7］。从节能角度考虑，无线模块在平时会一直处于接收模式。当收到主节点发来的指令后，处理先执行收到的命令，然后再将模块设置为发送模式，把采集到的数据上传到管理主机。

1．2温湿度传感器AM2302由于蔬菜大棚内的作物的光合作用，会蒸发很多水分，并伴随产生热量，导致棚内的温湿度变化较大，如果控制不好，作物非常容易出现病害，故需要一款高精度和灵敏度的传感器来完成数据的采集工作。数字温湿度模块AM2302是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括1个电容式感湿元件和1个高精度测温元件，采用3引线连接方式，供电电压范围为3．5～5．5V，单总线数据线SDA引脚为三态结构用于数据的交换和控制均，确保其具有超快的响应和极高的可靠性与抗干扰能力。处理器STM32F103把数据总线SDA拉低至少800μs后，会从休眠模式转换到高速模式，从数据总线SDA串行输出40Bit数据，数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位及校验位，发送数据结束后自动转入休眠模式［8］。

1．3土壤水分传感器SM2802M由于蔬菜大棚人为对土壤管理措施的不同和土壤本身的各种理化性不同会对土壤含水率产生影响。为更加精准地调节土壤的含水情况，采用新一代土壤水分测量传感器SM2802M。它具有工业级精密核心元件，并利用了世界先进的FDR原理制作而成，可长期埋于土壤中，具有高精度和高可靠的特点。电源电压范围为DC12～24V，测量范围0～100%，测量精度3%FSD，响应时间＜1s，输出信号4～20mA，分别对应设定的满量程。通过增加一个10Ω的高精度电阻，则4～20mA就转换成40～200mV的电压信号，直接通过处理器STM32F103的ADC口进行数字化后测量。

2轮询查询通信与最大通信节点数

由于系统内的所有节点都工作在同一个频率上，为保证通信的可靠性，避免出现干扰或者阻塞，采用了以主节点为主导的轮询查询通信方式。

2．1从节点轮询查询通信方式软件流程考虑到功耗和通信的可靠性问题，轮询查询的发起者为主节点，从节点会一直工作在接收数据模式，直到接收到主节点对其发出的指令，才进行工作模式转换。从节点的软件流程如图3所示。从节点上电工作后，首先进行系统各功能模块的初始化，然后将无线通信模块的设置在接收数据模式，等待主节点发送的数据。当接收主节点发送的数据时，提取主节点的发送目标地址编码，并与自身的地址编码进行匹配:如果不是发给自己的就丢弃，继续等待接收数据;如果是发给自己的，就根据主节点的对应指令进行处理，处理完毕后将通信模块设置为发送数据模式，将数据打包并发送出去。为了节能，最后再把通信模式设置为接收模式。

2．2系统最大支持从节点个数系统支持的最大节点数N与采集周期T需要满足关系为其中，Δt为每个从节点与主节点之间的通信保护间隔，一般设置为50～200ms;t表示每个从节点对主节点发送指令的处理时间。从式(1)可看出，系统支持的最大节点数N与采集周期T成正比关系，即当采集周期越大时，支持的节点数越多。

3上位机管理软件

监控中心的主机上运行着专业的管理软件，管理软件在VisualStudio2013．NET编程环境下开发，利用C#语言编写而成，运行在Window操作系统下;采用SerialPort串口控件实现了与主节点的串口通信，利用TeeChart绘图控件实现了数据的实时曲线显示，并使用Thread类完成了任务的多线程处理，采用数据库SQLServer2008存储接收到的温湿度、土壤含水率和设备状态参数等信息。管理软件具有用户权限管理、系统参数配置、节点管理、数据实时显示、曲线分析、历史数据查询、分析预测、报表统计打印、声光报警与日志管理等。管理软件结构与功能如图4所示。管理主机通过USB接口直接与无线透传模块相连，接收来自各从节点的数据，并可下发控制指令。系统刚投入使用时，需要逐个添加从节点，并对每个接入系统的节点进行配置，包括节点命名、节点分类、串口波特率、无线频率、地址编码、数据的采集周期和报警上下限值等。节点被加入系统后，会在现实界面统一出现其运行状态和采集到的数据值，如果1页放不下，还会进行自动的滚动显示。在显示界面处选中节点，双击或者单击右键会弹出对话框，对话框里包括了该节点的所有参数，可以对其进行配置，显示该从节点所有配置参数，还有该节点的采集到的实时数据曲线;通过修改显示的日期时间段，会自动调用数据库数据，让历史数据再现，绘制出每天的均值、最大值和最小值的曲线图，并可生成月报打印输出。

4作物生长环境分析与实验结果

为了验证系统的性能和功能，对一个面积为80m×15m的蔬菜温室大棚进行测试实验，大棚的作物全部为西红柿。实验前，需要充分了解西红柿在各个生长阶段对最佳环境的要求。

4．1西红柿最佳生长环境分析西红柿属于喜温作物，其根系发达、茎叶繁茂、光合作用旺盛，在整个生长发育过程中要求较高的土壤湿度和较低的空气相对湿度。西红柿的生长主要分为发芽期、幼苗期、坐果期、果实膨大期和果实成熟期5个阶段［9］。1)发芽期:为保证种子发芽整齐，需使种子充分吸水膨胀，土壤含水率要达到80%以上，棚内温度控制在25～30℃，空气湿度保持在75%～80%。2)幼苗期:由于根系小，吸收力差，不需大量灌溉。土壤含水率以60%～70%为宜，并逐步降低棚温，加大放风量，白天温度维持在21～25℃，夜间维持在12～15℃，空气湿度要求在45%～55%为宜。3)坐果期:最为关键，如果湿度过大、通风不及时、温度太低或太高，都会引起病害，需保持土壤含水率65%～80%，白天温度控制在25～28℃，夜间控制在13%～15℃，空气湿度50%～60%。4)果实膨大期:总需水量显著增多，土壤含水率以80%～90%为宜，空温度要适当提高，白天26～28℃，夜间15～17℃，空气相对湿度45%～65%。5)果实成熟期:果实发育快、植株蒸腾量大、水分供应不足或不及时，都会影响果实的正常发育，此时要求土壤含水率在80%～85%，白天28～30℃，夜间17～18℃，空气相对湿度40%～60%。

4．2实验结果将大棚的土壤水分检测区域分为4块，每块的面积为15m×20m，并在大棚东西南北的四个墙壁上安装4个温湿度监控节点(带风机)。土壤水分含量传感器埋入10～20cm土层中，这是西红柿根系的最发达的区域，代表其生长状况［10］。同时，对棚内的西红柿的坐果期白天的生长环境进行监测，测得的数据结果如表1和表2所示。由表1可以看出:大棚内白天的温度控制在25～28℃，湿度控制在50%～60%，且最大和最小值也没有超出范围，避免了由于湿度过大、通风不及时、温度太低或太高引起作物的病害。由表2可以看出:棚内被划分的4块土壤含水率的均值、最大值和最小值也均没有超出预设的范围(65%～80%)。这表明，该系统能够自动对这些环境参数进行智能调节，且测得的数据准确可靠。

5结论

设计的蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统，能够自动获取大棚内不同区域的空气温湿度和土壤含水率信息。管理主机以轮询查询方式实现了节点间的可靠通信，达到了超低功耗的效果。同时，从节点与主节点的通信距离能够达到1800m，改善了之前由于采用ZigBee技术造成的数据丢包和传输距离近的问题。根据作物的生长期进行分段管理，能自动智能调节环境参数。通过对西红柿大棚内8个从节点的实验表明:系统工作稳定可靠，实现了数据实时显示、统计分析、数据存储和自动智能调节等功能，对于促进作物增产增收及推进农业智能化进程具有极为重要的意义。

作者：孔国利席红旗单位：中州大学信息工程学院 河南教育学院信息技术系