基于ARM的农业大棚管理系统

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2017.09.030

引 言

根据我国的国情，农业较工业而言占据较大比重。但我国农业工业化水平较低，传统农业大棚较多。传统的农业大棚存在以下弊端：

(1) 传统农业大棚基本都采用人工管理，管理程序多且复杂，同时人工管理投入大，容易产生错误，易造成大棚温度过高、过低、过潮、过干等；

(2) 由人工管理的农业大棚无法实时监测大棚的状态，

(3) 传统大棚燃料消耗较大，导致成本较高，降低了收益。传统农业大棚生产效率低、成本高、产量低等特点已无法满足工业信息化时代的要求。随着我国人口逐渐增多，人民生活条件也逐渐改善，传统大棚已不能满足现代人的需求，开发智能管理大棚势在必行！

1 系统方案介绍

系统基于LPC4357，使用温度、湿度、光敏传感器检测农业大棚的温湿度和光照值，通过 ZigBee 将数据传送给主控， 并将最终数据在LCD上显示出来。

本设计系统框图如图 1 所示。本设计由数据采集模块、ZigBee 无线传输模块、主控模块和自动调节模块等组成。数据采集模块将采集到的温湿度和光照信息通过ZigBee 协议栈传送给与LPC4357 连接的ZigBee 节点；ZigBee 节点再通过串口将数据发送至LPC4357 主控模块 ；如果某一大棚的参数超过设定值，液晶屏会出现红色告警，如果温度过高则开启风扇进行通风降温，若土壤湿度过低，则启动自动灌溉装置进行灌溉。

2 硬件设计

2.1 主控模块介绍

LPC4357 拥有 Cortex-M4 处理器与 32 位的 ARM，最 高运行频率为 168 MHz，内部集成 1 MB 闪存，192+4 KB 的 SRAM，可外扩 Micro SD 卡存储，6 路串口，工作温度范围 为 0 ℃ ~ 40 ℃，工作电压为 5 V。

PF9 控制风扇继电器，驱动降温控制；由 PF10 控制土 壤灌溉继电器，驱动自动灌溉装置。

2.2 ZigBee 无线通讯模块介绍

ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、 低成本的双向无线通讯技术。主要用于短距离、低功耗且传 输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输及典型的有周 期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输。

ZigBee 无线传输模块以 CC2530 芯片为核心进行相互间 的通讯。本设计有 5 个 ZigBee 节点，其中 1 个为接收，其余 4 个为发送。4 个发送节点分别发送大棚温度、湿度、光照和 土壤湿度值。

2.3 各传感器介绍

本设计用到的传感器包括温度传感器 DS18B20、湿度传 感器 DHT11、光敏电阻以及土壤湿度传感器。这些传感器负 责采集信息，并将采集到的信息分别通过 4 个 ZigBee 发送模块发送给接收模块。

2.4 串口电路

发送端通过串口将数据发送至无线协议栈中，通过无线发送给接收端，接收端接收到信息后通过串口发送给 LPC4357 主控制板，主控制板接收、处理串口信息进行界面显示，进行数据处理后，LPC4357 通过一个IO 口发送控制信号，以此来驱动自动灌溉装置或降温装置。

3 软件设计

3.1 软件环境介绍

本设计运用Keil 公司研发的RealView MDK 软件，该编程软件被全球超过十万嵌入式工程师或学者使用，是ARM 公司最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。它集成了业界领先技术，融合了中国多数软件工程师所需要的特点和功能。μVision4 集成开发环境支持ARM7、ARM9 和最新的Cortex-M3 内核处理器，自动配置启动代码，具有强大的性能分析功能。

3.2 子节点 ZigBee采集传感器

ZigBee 接收流程如图 2 所示。先检测传感器是否存在或完好，若存在或完好，读取传感器信息并进行转换，最终将数据写入无线协议中并发送。

3.3 ZigBee 接收流程

ZigBee 接收流程如图 3 所示。接收端接收到数据后进行 数据帧头匹配，完成之后对数据进行判断，从而控制自动调 节模块。

4 系统测试

与一般温室大棚相似，应设定参数满足其光照、滴灌、 大棚内二氧化碳浓度、湿润度以及土壤酸碱度等。测试周期 控制为一周，采样时间间隔设定为1小时，本系统采用模拟测试， 搭建按比例缩小的农作物温室大棚，对环境参数采集 24 组数 据，对温度、湿度、光照、土壤湿度进行监测。

通过自动灌溉装置与降温装置将数据控制在设定范围。 一周监测数据如图 4 所示，光照平均值如图 5 所示。

5 结 语

对一周的数据进行分析可以看出，本设计可以实现农业 大棚监测及控制，解决了农业大棚看护不科学、不及时，从而 造成农业产量下降，甚至无法收获农作物的问题。