基于GD32 的智能農業棚室控制器

陳琦

（哈爾濱光宇電氣自動化有限公司，黑龍江 哈爾濱150078）

1 概述

隨著電子技術及物聯網技術的迅猛發展，如今智能設備在農業領域有了廣泛的應用。本文所設計的智能棚室控制系統，能實時監測棚室內部環境數據，根據農作物對環境的要求，可實時調節環境數據，滿足農作物對生長環境的要求。如通風、噴淋、棚膜開關調節等。本棚室控制器還可針對不同農作物對不同環境條件的需求，設置多種適合不同作物的環境參數，這可以有效的提高作物產量，節約人力成本。棚室控制器可通過外部傳感器采集到精確的環境數據，相對較傳統農業的粗獷的種植和管理模式，提高了管理精細度，在農業增產和日常維護費用上將產生巨大的社會效益和經濟效益。

2 系統原理分析

智能棚室控制器構成，包括高性能32 位ARM處理器的數據處理模塊、高可靠性GPRS 模塊、傳感器數據采集模塊、EEPROM存儲模塊及控制出口模塊。棚室控制器可實現遠距離短信通訊、GPRS 通訊、RS485 通訊；通過485 接口可外接傳感器可實時監測環境溫濕度，光照、土壤濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度等數據，根據事先設置在EEPROM中的各環境數據定值，進行噴淋、通風、棚膜開關調節，以保證農作物在一個最佳的環境下生長。智能棚室控制具有數據異常告警功能。可和中心站監控軟件配合組成綜合自動化實時監測和控制系統，也可以根據實際需求搭配不同的外部控制設備，從而應用到家禽養殖等不同領域。

3 電路設計方案

智能棚室控制器硬件由五部分組成：

（1）數據處理模塊；

（2）傳感器數據通訊模塊；

（3）GPRS 無線傳輸接口模塊；

（4）EEPROM存儲模塊；

（5）控制開出模塊。

圖1 智能棚室控制器應用框圖

圖2 智能棚室控制器系統硬件框圖

數據處理模塊使用GD32 系列芯片，它是兆易公司生產的高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3 內核的32 位控制器，高達72MHz 主頻，內置達128K 閃存,零等待周期的存儲器。具有自主知識產權的“gFLASH”技術，使片上Flash 可重復擦寫100000 次。它還有豐富的外設接口，能夠高效的處理數據，保證程序處理速度和性能上的冗余。采用低功耗設計，降低能耗的同時可以提高模塊的使用壽命。本文選用了GD32F103RBT6 芯片。

GPRS 無線傳輸部分使用SIM800C 模塊，它是SIMCom 公司推出新款緊湊型產品，它是支持四頻段GSM/GPRS 模塊，采用42 引腳SMT 封裝形式，其性能穩定，外觀精巧，性價比高。SIM800C 采用工業標準接口，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。SIM800C 采用省電技術設計，在休眠模式下功耗低至0.6mA，它的尺寸大小為17.6x15.7x2.3mm，能滿足絕大多數產品對空間尺寸的設計需求，標準串口通過AT 命令控制，尤其適用于緊湊型產品設計。

EEPROM 存儲模塊通過IIC 總線接口EEPROM 芯片AT24C64 連接至DG32，保證停電后數據不會丟失；使用MAX485 芯片連接至GD32 串口2 實現RS485 通訊，實現與外部各種環境傳感器連接；DG32 主控芯片通過串口3 與SIM800C模塊連接通訊，實現配置GPRS 模塊和收發數據至云端；使用歐姆龍G2R-1 型號繼電器作為控制開出，控制卷膜機、風機、水泵、加熱器等設備按要求啟停。

布局布線方面由于SIM800C 模塊以最大功率發射時，電流峰值瞬間最高可達到2A，從而導致在模塊電源上有較大的電壓跌落。所以電源端可使用一個100μF 大電容穩壓；天線部分，天線輸出引腳與天線連接器走線越短越好，天線引線采用射頻同軸屏蔽電纜接至機殼外部；SIM卡處由于面積較大，比較容易受到干擾，需要靠近模塊擺放并遠離天線部分。對強干擾信號造成的運行出錯采用硬件看門狗電路處理，保證在無人值守時也能可靠運行；對RS485 傳輸線使用屏蔽雙絞線，并且單端接屏蔽地。電源及通訊端口加入TVS，實行防電脈沖沖擊和防雷保護措施，已在實際應用中獲得了極好的效果。

4 系統軟件設計

系統軟件設計如下：系統上電后首先硬件初始化，對相關IO 引腳及EEPROM 的IIC 接口初始化，對兩個異步串口初始化，需要設置好通訊的波特率和數據位。接下來對SIM800C 模塊初始化，通過GD32 的串口3 發送AT 命令，設置模塊的通訊方式及環境監測云平臺的IP 地址，再檢測連接網絡是否成功，如果連接入網，則通過串口2 轉成的RS485 接口采集各個環境傳感器數據和數據判斷，并把數據從串口3 發送到GPRS 模塊，通過GPRS 網絡經過TCP 協議方式把數據傳送到環境監測云平臺上去。對采集數據的主要處理方式為和EEPROM設定數據比較，當數據大于設定值時，如溫度過高，可使控制開出端的風機開啟進行降溫。如溫度過低，可使控制開出端加熱器開啟升溫。同理，濕度大小可以調節控制開出端的電磁閥（噴淋系統），光照度大小可以調節控制開出端的卷膜機系統。

圖3 智能棚室控制器軟件流程圖

綜上所述智能棚室控制器可以根據當前棚室環境數據值，判斷出當前棚室環境是否在要求狀態異常數據會和EEPROM中的設定的上下限定值相比較，做出異常判斷如溫度過高、空氣濕度過低、光照度過低等情況。同樣監控中心可以通過GPRS網絡下發和更改定值到檢測模塊以適應不同種類的農作物。

5 結論

經實踐證明使用基于GD32 控制器和GPRS 智能農業棚室控制器滿足廣泛的智能農業應用需求，采用GPRS 無線通信，可以使布線簡單。控制器外擴傳感器模塊對環境數據自動檢測，避免了人力現場檢測。控制器模塊可設置自定義名稱，當發送故障時，可直接定位到具體的棚室。在監控中心或監控云平臺發生停電或者系統故障時，棚室控制器器模塊可獨立使用，可直接給管理員發送手機短信提示故障。當環境數據異常，棚室控制器開出端系統會根據需要自動工作，如通風、噴淋、加熱等，直至將環境數據調整到合適狀態。使用本棚室控制器可大量減少人力物力的投入，廣泛適用于各種智能農業場所。