|
小温室土壤湿度监测和土壤水分控制开展研究和设计工作，以期实现土壤湿度的自动化检测，并由微控制器实现温室微灌自动控制，优化温室作物的生长环境。 1 整体方案设计 湿度测控系统主要包括信号采集输入、信号的传输和处理及微灌控制输出等部分（图1）。该系统采用湿度检测部分分组设计的方法，即整个温室的湿度由几组相互独立的检测仪器完成湿度的检测、存储，数据定时转发到主控制器。主单片机负责处理和显示数据以及湿度预置阀值的设定和报警。 此外，主单片机还制定灌溉方案和控制微灌系统的干路电磁阀，各分路电磁阀则由支路电磁阀控制器控制。信号的传输采用射频无线数据传输方式，避免了有线通信方式的布线错综复杂及安装维护的不灵活。该方案占用空间小且安装移动方便，满足了温室实际需要。 2 湿度测控系统设计 2.1 土壤湿度传感器的选择 对土壤水分测量的长期研究，各种测量技术层出不穷。从长期定点测量和不破坏土壤结构的角度，该系统选择基于FDR（Frequency domain refletometry）频域反射法的湿度传感器。FDR是利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中的传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤的容积含水量[4].研究表明，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续自动化、宽量程、少标定等优点。FDR不扰动土壤，可在同一地点进行多次测量，而且具有更广的工作频率范围，测量水分的范围宽，还可与自动记录系统和计算机连接，被越来越多地用于自动湿度采集系统中。 2.2 主从微控制器的选择 温室是一个潮湿、温热的环境，而且存在一些加热或电动设备，选择一款抗干扰、驱动能力强的单片机显得尤为重要。宏晶科技的STC系列单片机与同类单片机相比有较强的抗干扰能力， STC单片机在SGS电气实验室有过超强抗干扰测试（过4 000 V快速脉冲干扰），证明其在抗干扰方面优于其他单片机。在试验过程中，这点也得到了证实。主控制器芯片作为数据的处理中心，有微灌方案制定、数据的接收显示，阈值的设定和各种报警等多重任务。所以主控制器的程序存储器容量和处理速度成为考虑的要点。该设计中选择STC12LE5410,其工作电压为2.2~3.8V;Flash存储器为10 K; SRAM为512 B; 6个定时器可以满足上述要求。另外，它自带看门狗电路、复位电路，可以简化电路构建，同时还可以实现在系统和在线编程，方便程序的更新升级[5].分组控制器主要是接收来自湿度传感器的模拟量，完成数值转换、数据暂存转发等任务。鉴于任务对控制器的要求不高，该设计选用STC12LE2052AD,其特点是低功耗、带8路8bit的AD转换电路，电路设计简单，能提高稳定性及电池的使用期限。STC12LE系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,速度增加了8~12倍，简化了熟悉8051系列开发者的应用。 2.3 无线通信模块 选择合适的无线通信模块，可以缩短无线传感网络温室测控系统硬件节点的开发周期，节约系统成本、降低节点工作能耗以提高网络系统寿命。常用的无线收发芯片主要有XE1201A、CC400、nRF905、CC2420和nRF2401等[6].nRF905工作电源电压范围为1. 9~3. 6 V,低工作电流TX在输出功率为-10 dBm时典型值为11. 0mA,RX典型值为12. 5 mA,与XE1201A、CC400比较具有较低的功耗，同时其外围元件数量少，且数据在内部进行曼切斯特编码、解码，微控制器不需要制定编解码规则，有利于实现节点的微型化和低成本；与CC2420、nRF2401比较虽然在传输速率上有一定不足，但在传输距离和成本上有一定优势。因此，该设计选用无线收发芯片nRF905作为无线通信模块的核心，以实现低成本、低功耗的温室测控系统硬件平台通信功能。nRF905单片无线收发器工作在433/868/915Mhz的ISM频段由1个完全集成的频率调制器、1个带解调器的接收器、1个功率放大器、1个晶体震荡器和1个调节器组成，特点是自动产生前导码和CRC校验码很容易通过高速SPI接口进行编程配置。nRF905的调制采用高斯频移键控调制调控在100 kbps.主控制器nRF905分配的引脚资源见图2. 2.4 人机交互部分的电路组成 控制系统设计最终的落脚点是用户，显示器和键盘必不可少。这两部分集中设计在主控制器上来集中显示和设置各路采集数据的阈值。首先看显示器部分，为了兼顾用户友好界面和成本两方面，笔者选用BD12232F液晶显示模块。12232F是一种内置汉字库和ASCII字符，可以显示7.5@2.0个汉字，它与外部CPU接口可采用并行或串行方式。模块要进入串行模式，就得把PSB脚低电位，即把模块背面J2处3个焊盘的下面2个连接。上边的焊盘为VDD端，下面的焊盘为VSS端。要注意的地方是12232F出厂时大多会默认成并行方式，所以J2处只能看到2个焊盘。要采用串行方式时，需拆掉原焊点才会看到3个焊盘，再重新按上述方法操作即可。从设计的结看，采用串行接口，只占用少量单片机资源就可完成显示任务，显示效果与并行方式没有不同。另外，相比图形点阵式液晶，字符型的12232F自带汉字库，避免了字模数据占用大量的程序空间。在没有对字体或特殊图形的要求时， 12232F是比较好的显示器件。键盘的作用主要是数据查看时翻页和方案数值的设定，所以采用订制2@3的矩阵式薄膜键盘。 具体键值定义如图3所示。Fig.3 The keyboard薄膜键盘定义了上下左右4个方向键和设置、确定2个功能键。在查看模式时，方向键仅有翻页和选定的作用。按下设置键值后进入设置模式，方向键具有数值加减的功能。 设置完成后按确定键回到查看模式。 液晶模块串行方式、薄膜矩阵键盘与主控制器连线示意如图4所示。液晶模块引脚VSS、VDD为模块电源地和电源正。引脚VEE是对比度调整端，通过调整可调电阻R1来调整显示的清晰度；引脚CLK为串行同步时钟， SID为串行同步输入；引脚CS是模块的片选端，高电平有效；BL+、BL-为液晶模块的背景光引脚，这里用P2.3引脚来控制背景光的开启和关断，进一步降低液晶的功耗。 2.5 控制输出与微灌系统简介 该部分主要包括控制器灌溉控制输出电路和微灌系统结构。控制电路部分主要作用是驱动电磁阀，实现灌溉控制。驱动电路部分采用光电耦合隔离来提高系统的稳定性。控制电路由控制器预编灌溉方案控制，根据埋在田间的湿度传感器传回的有关土壤湿度信息，实现实时精确灌溉。控制部分的构成如图5所示。 3 软件的整体构建 系统功能的实现要通过软件来完成，整个软件系统采用模块化编程方式，不同子程序单元根据不同的标志位判断是否允许调用。 该软件主要包括执行软件部分，具有检测、计算、显示、输出控制、通讯等各种实质性的功能。分控制器的作用是在主控制器的监测命令下完成对土壤水分的定时采集、预处理、数据转发的任务。主流程如图6所示。 4 小结 该设计应用分布式检测控制思想，借助无线数传技术搭建了主从湿度监控系统，以达到节水灌溉的目的。该系统利用先进的湿度参数检测方法，整体设计配置灵活，低功耗，结构简单易于维护。监控系统在试验中工作稳定，水的有效利用明显提高，温室灌水利用率达到0. 65,比漫灌节水50%上。对占消费水80%左右的农业用水的合理使用和最大效益的发挥具有非常重要的意义。
|
|
|
