基于物聯網的農業大棚溫度自動控制系統設計

王峰

摘 要： 為了實現農業大棚溫度的自動控制，提出一種基于物聯網的農業大棚溫度自動控制系統設計方案。在Visual DSP平臺下進行控制器的系統開發，系統采用嵌入式ARM Cortex?M0作為主控系統，在物聯網體系下進行溫度數據采集，對采集的農業大棚溫度數據在主控模塊中進行信息加工和識別，構建大棚溫度自動控制系統的執行控制單元、溫度A/D采集單元、中央控制器等單元，通過物聯網下各個傳感器把大棚溫度數據傳送給主控單片機，單片機通過執行模塊進行溫度調節，實現農業大棚溫度自動調節。系統測試結果表明，該農業大棚溫度自動控制系統具有較好的穩定自動控制性能。

關鍵詞： 物聯網； 農業大棚； 溫度自動控制；系統設計

中圖分類號： TN02?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0152?03

Abstract： In order to realize the automatic temperature control of agricultural greenhouse， a design scheme of Internet of Things （IOT） based automatic temperature control system for agricultural greenhouse is put forward. The system development of the controller was performed in Visual DSP platform. The embedded ARM Cortex?M0 is taken as the main control system of the system to acquire the temperature data under IOT system. The information processing and recognition for the acquired agricultural greenhouse temperature data were carried out in the main control module. The execution control unit， temperature A/D acquisition unit and central control unit of the greenhouse automatic temperature control system were constructed. The greenhouse temperature data is transmitted to the main control SCM through each sensor under IOT. The temperature is adjusted through the execution unit of SCM to realize the automatic temperature adjustment of agricultural greenhouse. The system test results show that the automatic temperature control system for agricultural greenhouse has stable automatic control performance.

Keywords： Internet of Things； agricultural greenhouse； automatic temperature control； system design

0 引 言

農業大棚溫度的精確控制要求較高，需要對農業大棚中各個區域的溫度進行準確監測，保障大棚中各個區域的植物正常生長，采用傳感器網絡對農業大棚各個溫度監測節點進行實時溫度采集，建立物聯網網絡結構模型，采用無線射頻設備和ZigBee組網技術進行農業大棚溫度的自動實時控制。在農業大棚中布設多個物聯網傳感器節點，不斷查詢各節點溫度，結合RFID閱讀器、電子標簽等物聯網信息識別和自動控制裝置，實現大棚溫度自動控制，研究農業大棚溫度自動控制系統在提高大棚種植產量和生成效率方面具有重要意義[1]。

傳統方法中，對農業大棚溫度自動控制系統采用PCI總線控制方法，通過外部單片機控制模塊、繼電器模塊進行大棚溫度的多傳感器控制，但該控制方法不能實現農業大棚的全方位溫度自動控制[2]，對此，提出基于物聯網的農業大棚溫度自動控制系統設計方案。

1 總體設計構架

1.1 溫度自動控制系統設計原理及功能模塊

為了實現農業大棚溫度的信息化管理和自動控制，進行農業大棚溫度的網絡控制和智能監測，構建基于物聯網的農業大棚溫度自動控制系統，采用Web構架方法進行農業大棚溫度的傳感器節點部署和RFID無線射頻識別，農業大棚溫度自動控制系統的物聯網體系結構分為感知控制層、網絡傳輸層和應用服務層三層[3]。基于Open Core核心的Android平臺建立農業大棚溫度自動控制系統的硬件監測服務層，在APP終端中進行大棚溫度的遠程監測與實時控制，將多個RFID節點通過無線射頻識別物聯網體系結構連接起來，在RFID平臺中采用IPv6實時傳輸協議進行數據傳輸和自動控制系統的邏輯控制程序設計，開放式應用編程接口設計。根據設計原理，構建基于物聯網的農業大棚溫度自動控制系統的總體結構模型，如圖1所示。

根據圖1所示的農業大棚溫度自動控制系統總體結構設計，結合大棚溫度自動監測數據進行溫度的自動控制和信息識別，采用傳輸控制協議（TCP）建立物聯網模型，采用嵌入式Linux控制技術進行大棚溫度自動控制系統的信息交換和通信控制[4]。綜上分析，農業大棚溫度自動控制系統的功能主要包括：大棚溫度的傳感信息采集和識別功能；物聯網信息接入功能；Browser/Server結構模型下單片機控制和組件傳輸功能；多通道的溫度信息記錄和回放功能；根據超聲波和紅外等多種傳感器進行大棚溫度識別和監測功能。

1.2 開發環境描述

在對農業大棚溫度自動控制系統的總體結構分析的基礎上進行系統開發，系統建立在物聯網和嵌入式Linux內核的開發平臺上，農業大棚溫度自動控制系統設計包括硬件設計和軟件設計兩大部分，采用嵌入式ARM Cortex?M0作為主控系統，在物聯網體系下進行溫度數據采集，選擇合適的單片機作為核心控制單元，結合DSP集成信號處理芯片進行溫度信息和環境信息的智能處理，采用溫度傳感器作為物聯網三層體系結構的數據采集層，傳感器節點設計為個，采用RFID閱讀器作為物聯網體系結構的傳輸層，在應用層中創建RTP管理器，在混合射頻識別技術下制定Savi信息傳輸模型，進行溫度自動控制系統的物聯網體系結構開發[5]。

在物聯網體系結構模型下，進行農業大棚溫度自動控制系統的軟件開發環境和硬件環境分析，系統的軟件開發環境建立在Linux嵌入式平臺中，系統的硬件外圍器件選擇ADI公司的A/D和D/A進行溫度信息采樣，DSP信號處理器設計的采樣頻率不低于8位，接收信號范圍為12～24 dB，在FLASH中控制A/D轉換器進行大棚溫度的分區監測和控制，D/A芯片選用ADI的bootloader芯片進行中斷控制，對采集的農業大棚溫度信息進行數字FIR濾波，在開關控制模塊輸出多路回波信號，農業大棚溫度自動控制系統的DAM控制器由外部脈沖源驅動AD7767?1進行中間組件控制和信息跟蹤監測，編寫添加驅動程序，進行數據讀取和信息存儲，構建基于物聯網技術的農業大棚溫度自動控制系統的嵌入式開發平臺，實現溫度自動控制系統的集成開發和遠程控制。

2 系統開發實現

2.1 硬件開發部分

在農業大棚溫度自動控制系統的總體模型架構的基礎上，進行系統的功能模塊化設計和軟件開發，采用3G?ZigBee的多點傳感器監測技術構建物聯網分布式結構模型[6]，進行大棚溫度的分布式采樣和數據采集，系統采用嵌入式ARM Cortex?M0作為主控系統，以TMS320VC5409A作為數字信息處理芯片，對大棚溫度自動控制系統溫度數據的A/D采集單元、執行控制單元、中央控制器等硬件電路進行詳細設計描述。大棚溫度自動控制系統的溫度監測總線一共有1條程序總線，3條數據總線。為用戶進行數據處理提供方便，采用VIX總線設計方法建立23根地址總線進行大棚溫度的自動控制和多方位多通道監測，溫度自動控制系統的硬件模塊化設計描述如下：

首先進行A/D采集單元設計，大棚溫度自動控制系統的A/D采集單元是進行溫度控制數據采集單元，是實現大棚溫度自動控制的基礎，根據溫度數據采集速度、信號處理速度的要求，在物聯網體系結構下，選擇40位的TMS320VC5409A溫度采集傳感器作為A/D采集的傳感器節點，選擇2個獨立的40位累加器進行溫度信息融合。在A/D芯片的片內設置32 KB的尋址范圍（地址范圍0080H～7FFFH），TMS320VC5409A通過JTAG口對溫度數據進行連續性采樣，通過CPLD編程進行多通道緩沖串口McBSPs的邏輯控制[7]，在溫度自動控制系統的輸出終端進行溫度過高和過低的聲光報警，輸出溫度信息采集的正弦擬合波形，得到本文設計的溫度自動控制系統的A/D模塊硬件結構組成，如圖2所示。

然后進行執行控制單元設計。執行控制單元是農業大棚溫度自動控制系統的執行單元，采用CPU與DAM控制器進行溫度自動控制過程中的自主調節，采用串行D/A轉換器控制AD5545的執行器控制單元，在A/D電路中進行數模轉換，是控制端信號。當輸入輸出接口的大于二極管D1，D2的導通電壓時，通過電流調節執行控制單元與上、下位機進行通信，基于ZigBee和物聯網技術進行信息組網，結合大棚溫度監測的位置信息、農作物的適應溫度信息進行溫度調節，得到溫度自動控制的執行控制指令表見表1。

在溫度自動控制的執行控制指令表中，VDD（6腳）表示自動控制系統的時鐘信號輸入端，一般取5 V，調節控制器的電壓，選擇復位信號輸出反饋端， （4腳）鎖存溫度自動控制信號的輸入端，當時，傳感溫度反饋到執行單元，傳感溫度反饋不起作用，當=時，數據經DMA控制器加載到ROM中，CPU與DAM控制器讀取/寫入DRR，可接收TTL電平信號，外部脈沖源（4，2，3，10，14，15）通過（R/X）DATDLY輸出DSP的串口碼字，在3.590 0 MHz時， 發送信息采樣值1110010，DSP采樣BMODE2?0管腳，從而決定程序加載方式。綜上設計，通過各個物聯網下的傳感器把大棚溫度數據傳送給主控單片機，單片機通過執行模塊進行溫度調節，實現農業大棚溫度自動調節。

2.2 軟件開發部分

農業大棚溫度自動控制系統的軟件開發設計建立在Visual DSP集成開發平臺上，能實現對溫度自動控制系統的軟件仿真（Simulator）和硬件在線編程（Emulator）。采用C5409A XDS510 Emulator仿真器完成大棚溫度自動控制系統的程序編輯、編譯連接和接口控制，在C5409 Device Simulator仿真環境下執行中斷程序和。對INTM和IMR初始化，置中斷向量地址位INTM=0，置IMR的中斷相應位=1，采用AODV路由協議構建物聯網的通信協議，創建RTP管理器，物聯網節點數為200個，采用UDP，RTP/AVP協議配置大棚溫度自動控制系統的管理信息寫入，采用交叉編譯方式進行程序加載，加載程序代碼如下：

Busybox Settings ???>

[*] Unit construction for /etfegyki/nucrhgkes

[*] vi?stevreconstruction implementation comsgtes

[*] Tab main control module

[*] U coupled network

[*] Fancy various physical pts

ShedfreeSs ???>

由此完成農業大棚溫度自動控制系統的軟件開發設計，系統的軟件實現流程如圖3所示。

3 系統測試

在物聯網體系結構下進行農業大棚溫度自動控制系統的控制系統測試，系統測試的實驗環境描述見表2。

根據上述仿真環境設定進行大棚溫度自動控制仿真測試，得到采用本文方法和傳統方法進行溫度控制的收斂曲線對比，如圖4所示。

分析圖4結果得知，采用本文方法進行大棚溫度自動控制的誤差較小，收斂性較好，性能可靠穩定。

4 結 語

本文提出一種基于物聯網的農業大棚溫度自動控制系統設計方案，在Visual DSP平臺下進行控制器的系統開發，采用嵌入式ARM Cortex?M0作為主控系統，構建大棚溫度自動控制系統的執行控制單元、溫度A/D采集單元、中央控制器等單元，通過各個物聯網下的傳感器把大棚溫度數據傳送給主控單片機，單片機通過執行模塊進行溫度調節，實現農業大棚溫度自動調節。對溫度自動控制系統進行硬件設計和軟件開發，系統調試結果表明，本文設計的系統能有效進行大棚溫度自動調節，誤差較低，收斂性和穩定性較好。

參考文獻

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