基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

年4月19日基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)文檔僅供參考基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉已成為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一，由于國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)造價(jià)高、使用復(fù)雜而難以推廣，開(kāi)發(fā)滿足當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的灌溉控制系統(tǒng)具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了作物根系處土壤濕度的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。該系統(tǒng)以CC2430單片機(jī)為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，主要包含微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊及人機(jī)交互模塊。系統(tǒng)將周期采集的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到微處理器模塊，由決策算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后做出是否灌溉的指令，在灌溉過(guò)程中由數(shù)據(jù)采集模塊持續(xù)監(jiān)測(cè)土壤濕度，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，反饋控制灌溉設(shè)備的啟停，以此實(shí)現(xiàn)土壤濕度維持在預(yù)設(shè)范圍。系統(tǒng)采用人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)灌溉閾值的可配置，滿足不同設(shè)施作物種植的參數(shù)定制需求，同時(shí)提供實(shí)時(shí)土壤濕度查看和灌溉設(shè)備狀態(tài)管理功能。初步試驗(yàn)表明，系統(tǒng)把土壤濕度提高30％所需的時(shí)間在50～60min之內(nèi)，控制誤差在3％以內(nèi)，且運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性和快速性指標(biāo)能滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉要求。系統(tǒng)成本低、可維護(hù)性強(qiáng)，從而具有良好的推廣應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：溫室自動(dòng)灌溉；土壤濕度監(jiān)測(cè)；單片機(jī)目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1研究背景 11.2研究現(xiàn)狀 11.3研究目的 21.4論文結(jié)構(gòu) 22系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件選型 32.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 32.2器件選型 42.2.1微處理器選型 42.2.2土壤濕度傳感器選型 52.2.3LCD液晶顯示模塊選型 62.3本章小結(jié) 63硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 73.1應(yīng)用軟件介紹 73.2微處理器模塊設(shè)計(jì) 83.2.1CC2430概述 83.2.2CC2430外圍電路設(shè)計(jì) 83.2.3微處理器復(fù)位及調(diào)試接口電路設(shè)計(jì) 93.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì) 103.4電源供應(yīng)模塊設(shè)計(jì) 103.5控制模塊硬件設(shè)計(jì) 113.6人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì) 123.6.1顯示模塊原理圖設(shè)計(jì) 123.6.2按鍵電路設(shè)計(jì) 123.7PCB電路板制作 133.7.1繪制PCB板 133.8系統(tǒng)實(shí)物制作 163.9本章小結(jié) 164系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 174.1應(yīng)用軟件介紹 174.2系統(tǒng)需求分析 184.3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 194.3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 194.3.2傳感器采集程序設(shè)計(jì) 214.3.3顯示程序設(shè)計(jì) 224.4灌溉模型設(shè)計(jì) 244.5系統(tǒng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì) 264.5.1控制方式的選擇 264.5.2工作方式的選擇 264.6本章小結(jié) 275系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證 275.1驗(yàn)證內(nèi)容 285.2本章小結(jié) 286總結(jié)與展望 296.1總結(jié) 296.2展望 29參考文獻(xiàn) 30致謝 311緒論1.1研究背景自古以來(lái)，中國(guó)就是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的國(guó)家，即便到了現(xiàn)代社會(huì)，農(nóng)業(yè)仍是中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。但中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下，長(zhǎng)期以來(lái)一直以經(jīng)驗(yàn)種植為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率僅為發(fā)達(dá)國(guó)家的1/10。為解決三農(nóng)問(wèn)題，國(guó)家正大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，溫室是其中一個(gè)重要的組成部分，可增加作物年均成熟次數(shù)，增大作物產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，因此，大力發(fā)展溫室產(chǎn)業(yè)，對(duì)中國(guó)這樣一個(gè)人口多耕地少的國(guó)家而言具有極大的戰(zhàn)略意義[1]。當(dāng)前，中國(guó)的溫室面積已突破210萬(wàn)hm2，總面積達(dá)世界第一，但中國(guó)溫室管理水平落后，大多控制系統(tǒng)采用定時(shí)控制或者手動(dòng)控制方式[2]。在灌溉管理方面，一般存在澆水不及時(shí)、不均、灌水不足或過(guò)量灌水等現(xiàn)象[3]。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)一般對(duì)作物根系的土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得作物根系的需水量，以此作為自動(dòng)灌溉的依據(jù)。溫室自動(dòng)灌溉可實(shí)現(xiàn)土壤濕度和營(yíng)養(yǎng)成分的有效管理，是保證設(shè)施作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要措施[4]。隨著精準(zhǔn)感知技術(shù)、定量控制技術(shù)的迅速發(fā)展,自動(dòng)控制技術(shù)在節(jié)水灌溉中有了新的發(fā)展[5]，經(jīng)過(guò)灌溉控制器適時(shí)、適量地灌水，在節(jié)省水、人工和提高作物產(chǎn)量方面取得了一定的成效，可顯著提高灌溉精準(zhǔn)度，提高水的利用率。本文設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單、精確灌溉的低成本自動(dòng)化控制灌溉系統(tǒng)，使之既能保證植物的良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，又能做到盡量節(jié)水，對(duì)溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。1.2研究現(xiàn)狀在國(guó)外，早在20世紀(jì)50年代，利用電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備和程序控制的灌排系統(tǒng)就得到很大發(fā)展，并在法國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到日益廣泛的應(yīng)用。1966年美國(guó)利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套AgriMate自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)處理器由LabVIEW的個(gè)人計(jì)算機(jī)控制?，F(xiàn)場(chǎng)處理器配置了模擬輸入、鎖存和繼電器板，用戶能夠監(jiān)控水箱水位、閥門位置、泵的狀態(tài)和土壤濕度等，而修改設(shè)定點(diǎn)即可改變灌溉計(jì)劃。水的用法、水箱水位和降水情況等都是存儲(chǔ)在灌溉數(shù)據(jù)庫(kù)文件里的數(shù)據(jù)，用戶能夠讀出這些數(shù)據(jù)以與當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以圖形方式顯示給定月份的土壤濕潤(rùn)度和外加的水，其發(fā)展程度已經(jīng)非常高[6]。相關(guān)研究依靠氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)比過(guò)去灌區(qū)的蒸發(fā)量及灌水量，結(jié)合各分灌區(qū)的植物種類分布、地形、土壤成分等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，并自動(dòng)制定出當(dāng)前各項(xiàng)灌溉指標(biāo)的灌溉系統(tǒng)，存在灌溉依據(jù)的間接性，很可能偏離灌溉目標(biāo)[5]。近年來(lái)相關(guān)研究已經(jīng)深入到將氣象因素、蒸騰量和土壤含水率相結(jié)合的綜合灌溉控制系統(tǒng)。但國(guó)外的設(shè)備普遍價(jià)格昂貴、專業(yè)性較強(qiáng)，不適合普通用戶使用。國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，但也取得一定成就[7-12]，比如北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制了以INTEL公司的8031系統(tǒng)單片機(jī)為核心的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)為多通道土壤水分檢測(cè)、多路控制灌溉的控制系統(tǒng)。張建豐等研發(fā)的多功能網(wǎng)絡(luò)式自動(dòng)灌溉方法及其裝置，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)、定量，根據(jù)土壤濕度，預(yù)先制定灌溉計(jì)劃的灌水功能。但總體上，國(guó)內(nèi)灌溉自動(dòng)化程度不高，相關(guān)設(shè)備落后，與國(guó)外的先進(jìn)水平還有很大的差距。國(guó)內(nèi)外專家在這方面已做出了不可否認(rèn)的成就[9-16]，但這些自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由于造價(jià)高、專業(yè)性強(qiáng)而難以推廣。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物根域的土壤濕度信號(hào)，從而對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)適量按需灌溉，不但能夠做到精準(zhǔn)灌溉，達(dá)到節(jié)水的目的，而且操作簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)成本低，適于推廣。1.3研究目的溫室在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，根系會(huì)從土壤孔隙中吸取水分，經(jīng)過(guò)對(duì)作物根域附近的土壤濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直接反映作物根系的需水量。中國(guó)現(xiàn)階段大多灌溉控制系統(tǒng)采用定時(shí)控制或者手動(dòng)控制方式，澆水不及時(shí)、不均、灌水不足或過(guò)量灌水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；更為先進(jìn)的，依靠氣象數(shù)據(jù)和對(duì)比過(guò)去灌區(qū)的蒸發(fā)量及灌水量制定出當(dāng)前各項(xiàng)灌溉指標(biāo)的灌溉系統(tǒng)，存在灌溉依據(jù)的間接性，很可能偏離灌溉目標(biāo)。本課題將研究解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的信息采集與自動(dòng)灌溉控制一體化系統(tǒng)，它具有設(shè)備成本低、可維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并能給用戶提供預(yù)警支持，從而減少農(nóng)民勞作強(qiáng)度，增加產(chǎn)量。1.4論文結(jié)構(gòu)本論文章節(jié)結(jié)構(gòu)按如下安排：第一章介紹溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的研究背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究目的和論文結(jié)構(gòu)。第二章給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖，選擇器件類型以及對(duì)設(shè)計(jì)中用到的元器件的介紹。第三章硬件電路的設(shè)計(jì)，包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊以及人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)。第四章主要是軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件IAR，重點(diǎn)是各個(gè)模塊軟件設(shè)計(jì)。第五章主要是系統(tǒng)的應(yīng)用與驗(yàn)證。第六章主要是總結(jié)與展望。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件選型本系統(tǒng)以單片機(jī)(CC2430)為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊、人機(jī)交互模塊及相關(guān)軟件組成。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它控制本系統(tǒng)的各種功能，因此選擇性能可靠的單片機(jī)就顯得尤為重要，考慮到滿足功能要求、穩(wěn)定性、性價(jià)比、開(kāi)發(fā)等因素，選用TI生產(chǎn)的CC2430。土壤濕度傳感器是本系統(tǒng)的測(cè)量元件，傳感器性能的好壞直接影響到本系統(tǒng)性能的好壞。本設(shè)計(jì)采用的FDS-100，其技術(shù)參數(shù)為：工作電壓5～12V，工作電流15mA，測(cè)量精度≤3%，探針長(zhǎng)度5.3cm，輸出模擬信號(hào)。在本系統(tǒng)中，采用LCD作為顯示單元，LCD液晶顯示器具有功耗低、壽命長(zhǎng)、無(wú)輻射、不易引起視疲勞等優(yōu)點(diǎn)，正在廣泛應(yīng)用于儀表、家用電器、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器及交通和通信領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用OCM12864-9液晶顯示模塊，它是128×64點(diǎn)陣型液晶模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接接口。2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將產(chǎn)品的某些要素組合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個(gè)子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其它產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。模塊化是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一種新的設(shè)計(jì)思想，現(xiàn)已成為一種新的設(shè)計(jì)思想被廣泛采用，特別是信息時(shí)代電子產(chǎn)品不斷推陳出新，模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)。模塊化設(shè)計(jì)已被廣泛用于機(jī)床、電子產(chǎn)品、航空、航天等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。模塊化設(shè)計(jì)是綠色設(shè)計(jì)方法之一，它已經(jīng)從理念轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^成熟的設(shè)計(jì)方法[17]。本文設(shè)計(jì)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)溫室作物根系處土壤濕度的自動(dòng)控制，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)主要由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊以及人機(jī)交互模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)(CC2430)為控制核心，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到微處理器模塊上，并將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上,由存儲(chǔ)在單片機(jī)的決策算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后做出是否灌溉的指令，與此同時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將土壤濕度參數(shù)信息送入微處理器模塊發(fā)出是否繼續(xù)灌水的指令，直到土壤濕度維持在我們預(yù)先設(shè)定的灌溉閾值停止灌水。另外系統(tǒng)針對(duì)不同農(nóng)作物及其不同發(fā)育期，可預(yù)先經(jīng)過(guò)人機(jī)交互模塊輸入相關(guān)參數(shù)，使得土壤濕度達(dá)到我們預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到節(jié)水和精確灌溉的目的，靈活適用于多種場(chǎng)合。系統(tǒng)示意圖如2-1所示：圖2-1溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)示意圖2.2器件選型在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，最重要的是低功耗的設(shè)計(jì)。低功耗的設(shè)計(jì)能夠分為硬件和軟件兩個(gè)方面，在硬件方面體現(xiàn)在芯片的選擇上。2.2.1微處理器選型微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能、價(jià)位、開(kāi)發(fā)難度等。在選擇微處理器芯片時(shí)需考慮以下因素：A、芯片集成度高低有些芯片內(nèi)部集成有FLASH、AD等外圍設(shè)備，外圍設(shè)備越多，硬件電路越簡(jiǎn)單，系統(tǒng)功耗也會(huì)越小，因此應(yīng)盡量選擇集成度高的芯片。B、開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)套件完備程度不同的開(kāi)發(fā)商提供的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)不盡相同，開(kāi)發(fā)套件完備程度關(guān)系到系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度，選擇芯片時(shí)應(yīng)考慮開(kāi)發(fā)商提供的資料是否滿足開(kāi)發(fā)需求。C、價(jià)格高低下面首先對(duì)當(dāng)前幾種主流的微處理器芯片加以介紹。（1）TI公司的CC2430A、高性能8位8051微控制器核，是常規(guī)8051CPU處理速度的8倍。B、128KB可編程FLASH和8KB的RAM。C、接收模式功耗低于27mA，發(fā)射模式低于25mA。D、休眠模式僅0.9μA的功耗，在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA的功耗。E、集成可編程的8-14位8路輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC。（2）SN250：A、16位XAP2b微處理器。B、128KB的FLASH及5KB的RAM。C、兩種休眠模式：處理器空閑[Processoridle]；深度休眠[Deepsleep]，功耗1.0uA。D、集成有12位ADC。（3）JN5121：A、16MHz32位的RISC處理器。B、96KRAM,64KROM。對(duì)比以上各芯片的性能參數(shù)，TI公司的CC2430具有最低的系統(tǒng)功耗，較高的主頻速度，較多的外圍設(shè)備。低功耗對(duì)以電池供電的溫室設(shè)備而言極為重要，超低工作功耗并具有休眠功能的CC2430在此方面有著最為出眾的表現(xiàn)；8路8-14位的內(nèi)部可編程ADC應(yīng)用方便，能夠省去外接ADC芯片，集成的128KB可編程閃存和8KB的RAM，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需考慮外接ADC和擴(kuò)展存儲(chǔ)器。2.2.2土壤濕度傳感器選型當(dāng)前土壤水分傳感器基本為模擬型號(hào)，數(shù)字型的非常少見(jiàn)，下面羅列了幾種型號(hào)：A、FDS-100土壤水分傳感器：測(cè)量范圍：0～100%；測(cè)量精度：±3%；供電：5V～10V；輸出信號(hào)：0～2.0VDC；工作電流：21mA。B、SWR2土壤水分傳感器：測(cè)量范圍：0～100%；測(cè)量精度：0～50%（m3/m3）范圍內(nèi)為±2%；供電：4.5V～5.5V；輸出信號(hào)：0～2.5VDC；工作電流：60mA。C、TR-5A型土壤水分傳感器：測(cè)量范圍：0～100%；測(cè)量精度：0～50%（m3/m3）范圍內(nèi)為±2%；供電：12V～24V；輸出信號(hào)：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)；工作電流：50mA。比較以上幾種傳感器，F(xiàn)DS-100 傳感器功耗最低，測(cè)量精度雖然稍為遜色，但價(jià)格最為便宜，而且應(yīng)用也最多，主要考慮功耗和價(jià)格因素，因此本系統(tǒng)采用FDS-100型傳感器用于測(cè)量土壤水分含量。2.2.3LCD液晶顯示模塊選型LCD液晶屏采用OCM12864-9，該LCD具有16*8的英文字母顯示能力和8*4的漢字顯示能力。由于CC2430的I/O口有限，為了節(jié)省有限的系統(tǒng)資源，故采用74HC595串并轉(zhuǎn)換芯片，顯示數(shù)據(jù)經(jīng)CC2430串行輸入74HC595后再由其并行輸入給LCD。OCM12864-9字符點(diǎn)陣液晶顯示模塊描述：主要工藝：COG顯示內(nèi)容：128X64點(diǎn)陣顯示模式：STN，POSITIVE驅(qū)動(dòng)條件：1/64Duty,1/9Bias背光：LED，白色工作溫度：-20℃—+70℃儲(chǔ)存溫度：-30℃—+80℃2.3本章小結(jié)本章主要是對(duì)溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，以及設(shè)備各模塊元器件的選用和相關(guān)介紹。3硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1應(yīng)用軟件介紹本文使用ProtelDXP作為繪制底層硬件電路板的工具。ProtelDXP是Altium公司在于推出的電路設(shè)計(jì)軟件，是一個(gè)32位的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它是一套構(gòu)建在板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)特性基礎(chǔ)上的EDA設(shè)計(jì)軟件，其主要功能包括電路原理圖設(shè)計(jì)、印刷電路板設(shè)計(jì)、改進(jìn)型拓?fù)渥詣?dòng)布線、模擬/數(shù)字混合信號(hào)仿真、布局前后信號(hào)完整性分析、PLD可編程邏輯系統(tǒng)，以及完整的計(jì)算機(jī)輔助輸出和編輯性能等。本文從電路原理圖設(shè)計(jì)開(kāi)始，最終得到所需的印刷電路板圖。下文對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行了講述，繪制原理圖是繪制PCB板的前提，只有正確的繪制原理圖并形成正確的網(wǎng)絡(luò)表才能繪制PCB板。系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示，最終繪制成的PCB電路板如圖3-9、圖3-10和圖3-11所示，根據(jù)該電路板及相關(guān)設(shè)備選型制作出的實(shí)物圖如圖3-12所示。圖3-1系統(tǒng)原理圖3.2微處理器模塊設(shè)計(jì)3.2.1CC2430概述CC2430是TI公司設(shè)計(jì)的一款真正的片上系統(tǒng)解決方案，專為Zigbee應(yīng)用量身制作，其內(nèi)部集成有一個(gè)高性能的CC2420射頻收發(fā)器和工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的高性能8051MCU，另外還有一些其它的強(qiáng)大的功能特性，配合業(yè)界領(lǐng)先的Zigbee協(xié)議棧，CC2430提供了市場(chǎng)上最具競(jìng)爭(zhēng)力的Zigbee解決方案。其關(guān)鍵性能如下：A、高性能低功耗的8051微控制器內(nèi)核。B、符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2420射頻收發(fā)器。C、優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。D、32/64/128KB片內(nèi)可編程FLASH，8KB靜態(tài)RAM，其中4KB可在掉電狀況下保持?jǐn)?shù)據(jù)。E、低功耗。接收模式為27mA,發(fā)送模式為25mA；休眠模式時(shí)僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。F、較寬的電壓范圍（2.0V-3.6V）。G、21個(gè)通用I/O口，兩個(gè)具有20mA的吸收電流能力。H、8路8-14位可編程ADC。I、2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART。J、一個(gè)IEEE802.15.4MAC定時(shí)器，一個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器；一個(gè)看門狗定時(shí)器。3.2.2CC2430外圍電路設(shè)計(jì)基于TI公司推出的CC2430實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的微處理器模塊硬件電路如圖4所示。微處理器模塊主要包括微處理器電路和調(diào)試電路。數(shù)據(jù)發(fā)送經(jīng)過(guò)單極天線（ANT）來(lái)實(shí)現(xiàn)，非平衡變壓器及配套元件（L1、L2、L3、C6）優(yōu)化了天線性能，使節(jié)點(diǎn)間的最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)120米。晶振XTAL2滿足了組網(wǎng)需要，晶振XTAL1用于終端節(jié)點(diǎn)休眠。仿真器經(jīng)過(guò)JTAG接口連接CC2430內(nèi)部JTAG調(diào)試模塊。端口P2.1為調(diào)試時(shí)鐘接口，P2.2為調(diào)試數(shù)據(jù)接口。經(jīng)過(guò)該兩端口可對(duì)片上閃存編程，訪問(wèn)存儲(chǔ)器和寄存器，并能夠設(shè)置斷點(diǎn)、單步操作和修改寄存器。P1口作為數(shù)據(jù)輸出端，與LCD液晶顯示模塊相連，為節(jié)省微處理器的I/O口，將CC2430的P1.3、P1.5、P2.0與移位寄存器74HC595相連，寄存器的輸出口與LCD數(shù)據(jù)口（DB0-DB7）連接作為數(shù)據(jù)輸入，再經(jīng)過(guò)軟件模擬OCM12864-9的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢與顯示。圖3-2微處理器模塊硬件電路3.2.3微處理器復(fù)位及調(diào)試接口電路設(shè)計(jì)圖3-3復(fù)位與調(diào)試接口電路（1）復(fù)位電路CC2430有3種復(fù)位模式：強(qiáng)制復(fù)位引腳RESET_N為低電平、上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器復(fù)位。如圖3-4所示為外部復(fù)位電路，引腳10為復(fù)位引腳，當(dāng)按鍵S1按下時(shí)引腳10輸入一低電平脈沖，使系統(tǒng)復(fù)位。（2）調(diào)試接口電路JTAG(JointTestActionGroup，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路TAP(TestAccessPort，測(cè)試訪問(wèn)口)，經(jīng)過(guò)專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。CC2430可經(jīng)過(guò)兩線接口對(duì)芯片進(jìn)行調(diào)試。端口P2.1為調(diào)試時(shí)鐘接口，P2.2為調(diào)試數(shù)據(jù)接口。經(jīng)過(guò)該兩端口可對(duì)片上閃存進(jìn)行編程，能夠訪問(wèn)存儲(chǔ)器和寄存器，并可進(jìn)行設(shè)置斷點(diǎn)、單步操作和修改寄存器。當(dāng)芯片處于非調(diào)試模式時(shí)，端口P1.1和端口P2.2可用作普通I/O口。在RESET_N輸入引腳為低電平時(shí)，在P2.2端口施加兩個(gè)高電平則系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)試模式。3.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器及其接口電路組成，主要完成作物根系處土壤濕度數(shù)據(jù)采集，傳感器需具備較高的精度及較低的功耗，完成土壤濕度的準(zhǔn)確測(cè)量。按傳感器工作特性設(shè)計(jì)外圍接口電路，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線采集數(shù)據(jù)、電源線驅(qū)動(dòng)傳感器。本系統(tǒng)所采用的土壤水分傳感器型號(hào)為FDS-100，其技術(shù)參數(shù)為：工作電壓5～12V，工作電流15mA，測(cè)量精度≤3%，探針長(zhǎng)度5.3cm，輸出模擬信號(hào)。由于CC2430內(nèi)部集成了8通道的8~14位ADC，因此無(wú)需外置A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)P0.0口即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。另外，本系統(tǒng)采用水流開(kāi)關(guān)來(lái)監(jiān)測(cè)灌溉閥門的狀態(tài)、管路中液體是否流動(dòng)和流動(dòng)的量是否達(dá)到要求，以此來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。圖3-4傳感器通用接口電路3.4電源供應(yīng)模塊設(shè)計(jì)電源供電部分采用24V直流輸入的電源適配器供電，電源輸入后，經(jīng)過(guò)橋整、電容濾波后，分為兩路，經(jīng)過(guò)LM2596和TPS79533后分別為板子提供5V和3.3V(VCC33)兩種電平輸入。本系統(tǒng)用到的電壓有24V、12V、5V、3.3V。TI公司的電源管理芯片TPS79533解決了5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的電源電路如圖3-5所示，其中，VCC33跟電池輸出的作用一樣，都是為板上的元器件和芯片提供合適的工作電源；而VCC5則是用來(lái)給控制板上的元器件和芯片供電；另外，它也能夠?yàn)橐?V為工作電壓的傳感器供電(監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上留有土壤濕度傳感器的接口，可用于擴(kuò)展)。圖3-5系統(tǒng)的電源電路3.5控制模塊硬件設(shè)計(jì)控制模塊主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)電路組成。本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了中間繼電器，它按照微處理器的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。而驅(qū)動(dòng)電路是連接微處理器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的橋梁，在本電路中連接了CC2430和中間繼電器。功率驅(qū)動(dòng)部分主要由光電耦合器TPL521和三極管2N3904開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成。光電耦合器TPL521由VCC33供電，主要起隔離作用，把微處理器的控制信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)，提高系統(tǒng)抗干擾性，保護(hù)溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。TPL521的輸入為來(lái)自微處理器CC2430的小功率信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離后把該信號(hào)輸出至三極管2N3904。三極管2N3904的作用是放大從處理器CC2430輸出的控制信號(hào)，把其變成能夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)。控制模塊硬件電路如圖3-6所示，P0.3口為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，進(jìn)而使三極管導(dǎo)通把LED點(diǎn)亮，表示該路控制的強(qiáng)電設(shè)備正常工作。圖3-6控制模塊硬件電路圖為了提高精度，本系統(tǒng)在溫室中多點(diǎn)采集作物根系的土壤濕度，微處理器接收多點(diǎn)采集的同一時(shí)刻的同一環(huán)境參數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的算法進(jìn)行均值估算，最后根據(jù)需要向相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)任務(wù)，執(zhí)行灌溉命令。3.6人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)加裝顯示設(shè)備，能夠更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使系統(tǒng)更人性化，本課題采用兩種顯示方式：LED顯示方式和LCD顯示方式。本設(shè)計(jì)采用OCM12864-9液晶顯示模塊，它是128×64點(diǎn)陣型液晶模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接接口，OCM12864-9液晶顯示模塊對(duì)外提供了以下幾種信號(hào)線：8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線(DB0-DB7),讀寫(xiě)控制線（R/W）,片選信號(hào)線(CS),數(shù)據(jù)/指令選擇線（A/O）,允許信號(hào)線（E），還有復(fù)位信號(hào)線（/RST）。3.6.1顯示模塊原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)信號(hào)線的邏輯電平,選擇合適的微處理器CC2430的I/O引腳與之相連接。為節(jié)省微處理器的I/O口，將CC2430的P1.3、P1.5、P2.0與移位寄存器74HC595相連，寄存器的輸出口與液晶屏數(shù)據(jù)口（DB0-DB7）連接作為數(shù)據(jù)輸入，再經(jīng)過(guò)軟件模擬OCM12864-9的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢與顯示。另外,經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)LCD的LED+引腳的偏置電壓,對(duì)LCD背光進(jìn)行點(diǎn)亮、熄滅控制，即使在環(huán)境光亮程度較低的情況下,能夠清晰的觀察LCD液晶屏上顯示的界面和數(shù)據(jù)。液晶顯示模塊硬件接口電路圖如圖3-7所示。圖3-7液晶顯示模塊硬件接口電路圖3.6.2按鍵電路設(shè)計(jì)用戶經(jīng)過(guò)鍵盤與系統(tǒng)交互，可對(duì)系統(tǒng)程序的運(yùn)行做出某些配置，系統(tǒng)的鍵盤電路如圖3-8所示。圖3-8系統(tǒng)的鍵盤電路圖中按鍵S1、S2、S5和S6實(shí)現(xiàn)原理為由P0.6端口采集按鍵電壓，然后經(jīng)CC2430片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器識(shí)別電壓值來(lái)判斷按鍵值，S3和S4直接經(jīng)由端口P0.5和P0.6產(chǎn)生系統(tǒng)中斷來(lái)判斷按鍵值。端口P1.0和P1.1具有20mA的吸收電流能力，因此可用于驅(qū)動(dòng)LED，以做顯示之用。3.7PCB電路板制作3.7.1繪制PCB板本文將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三個(gè)PCB板：主板、控制板和CC2430小模塊板。主板只包括用戶常見(jiàn)的電源模塊、人機(jī)交互模塊；控制板包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊；CC2430小模塊主要包括微處理器模塊，單獨(dú)畫(huà)一塊微處理器模塊板子主要考慮CC2430能夠復(fù)用，系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中如果CC2430被燒壞，主板和控制板仍能夠繼續(xù)使用，減少了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的費(fèi)用。在繪制PCB板之前，需要給各個(gè)元器件添加自己的封裝，有些封裝在Protel軟件中的標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)中能夠直接找到，可是有些元器件的封裝需要自己繪制，如OCM12864—9、74HC595、LM2596以及單片機(jī)CC2430等等都需要自己繪制封裝，這就要求查明芯片手冊(cè)，弄清楚引腳以及元器件各部分尺寸，制作好這些封裝后添加到庫(kù)里就能夠直接使用。規(guī)劃電路板在給原理圖添加好封裝后就能夠繪制PCB板。電路板采用雙層，電路板的大小形狀尺寸都要考慮進(jìn)去，考慮到所選盒子的包裝，因此版面尺寸設(shè)計(jì)的比較大。在規(guī)劃電路板時(shí)還要考慮電路板與外界的接口部分，操作是否方便，是否便于測(cè)量等等，如適配器插頭、電源開(kāi)關(guān)以及溫濕度傳感器都要要放到板的邊緣。同時(shí)還要注意單片機(jī)的時(shí)鐘電路盡量靠近單片機(jī)。手動(dòng)布線自動(dòng)布線遵循的原則是路線最短，可是如果采用自動(dòng)布線，PCB板的美觀性就顯得很差，而且對(duì)于高頻電路，自動(dòng)布線容易造成高頻對(duì)信號(hào)線的干擾，還有就是如果頂層和底層信號(hào)線平行的話，容易產(chǎn)生電容耦合，從而造成信號(hào)干擾。因此此次設(shè)計(jì)采用手動(dòng)布線，對(duì)于簡(jiǎn)單的電路部分能夠部分自動(dòng)布線。覆銅和補(bǔ)淚滴在完成所有布線并檢查無(wú)誤后就能夠進(jìn)行覆銅，增強(qiáng)板子的抗干擾能力，考慮到大多數(shù)廠子制版條件，本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)格法覆銅。補(bǔ)淚滴能夠保護(hù)焊盤，避免多次焊接時(shí)焊盤的脫落，還能夠減少阻抗的急劇跳變。覆銅后ＰＣＢ板如下圖所示：圖3-9微處理器模塊TOP層圖3-10主板TOP層圖3-11控制板TOP層3.8系統(tǒng)實(shí)物制作當(dāng)PCB板畫(huà)完之后，將印制板文件送到制板廠家進(jìn)行電路板的制作，在實(shí)驗(yàn)室完成元器件的插裝、焊接并裝入包裝盒后。考慮到溫室環(huán)境具有濕度大、酸性大、基礎(chǔ)設(shè)施少、作物眾多且動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，系統(tǒng)包裝盒在設(shè)計(jì)上需要考慮密封，防止溫室中的水蒸氣進(jìn)入設(shè)備，使系統(tǒng)的電子器件短路。另外在考慮到美觀等因素，系統(tǒng)采用航空接頭作為接插件。3.9本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了各個(gè)功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，借助ProtelDXP電路設(shè)計(jì)軟件完成原理圖以及PCB版的制作，為以后的軟件設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1應(yīng)用軟件介紹IAREmbeddedWorkbench（簡(jiǎn)稱EW）的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界最完整的和最容易使用專業(yè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。EW對(duì)不同的微處理器提供一樣直觀用戶界面。EW今天已經(jīng)支持35種以上的8位、16位、32位ARM的微處理器結(jié)構(gòu)。IAR界面如圖4-1所示圖4-1IAR主界面操作步驟：使用IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境首先應(yīng)建立一個(gè)新的工作區(qū)。用戶打開(kāi)IAREmbeddedWorkbench時(shí)，已經(jīng)建好了一個(gè)工作區(qū)，可選擇打開(kāi)最近使用的工作區(qū)或向當(dāng)前工作區(qū)添加新的工程。單擊Project菜單，選擇CreateNewProject，彈出建立新工程對(duì)話框，確認(rèn)Toolchain已經(jīng)選擇8051，在Projecttemplates選擇Emptyproject單擊下方OK按鈕。根據(jù)需要選擇工程保存的位置，更改工程名，如ledtest單擊Save來(lái)保存。這樣便建立了一個(gè)空的工程。系統(tǒng)產(chǎn)生兩個(gè)創(chuàng)立配置：調(diào)試和發(fā)布。在這里我們只使用Debug即調(diào)試。項(xiàng)目名稱后的星號(hào)(*)指示修改還沒(méi)有保存。選擇菜單File\Save\Workspace,保存工作區(qū)文件，并指明存放路徑，這里把它放到新建的工程目錄下。選擇Project\Make或按F7鍵編譯和連接工程，如圖4-2所示。圖4-2IAR編譯連接界面成功編譯工程，而且沒(méi)有錯(cuò)誤信息提示后，按照下圖連接硬件系統(tǒng)。圖4-3IAR連接圖選擇IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中菜單Project\Debug或按快捷鍵CTRL+D進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，也可按工具欄上按鈕進(jìn)入程序下載，程序下載完成后，IAR將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至仿真狀態(tài)。安裝完成仿真器驅(qū)動(dòng)后，經(jīng)過(guò)USB接口把ZigBee開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接后，進(jìn)入IAR編譯環(huán)境進(jìn)行仿真調(diào)試。選擇菜單Project\Debug或按快捷鍵CTRL+D進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，也可按工具欄上按鈕進(jìn)入調(diào)試。4.2系統(tǒng)需求分析溫室環(huán)境具有濕度大、基礎(chǔ)設(shè)施少、作物眾多且動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)。溫室設(shè)施農(nóng)業(yè)中的灌溉如果能夠自動(dòng)控制，則能夠減少不必要的勞動(dòng)，因此信息化的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面是比較重要的。比如管理一個(gè)連棟溫室，面積很大，在灌溉中需要人跑好遠(yuǎn)去打開(kāi)開(kāi)關(guān)，然后才能灌溉，等灌溉完畢還需要再去關(guān)閉開(kāi)關(guān)。當(dāng)然也能夠經(jīng)過(guò)在每個(gè)灌水開(kāi)關(guān)（電氣開(kāi)關(guān)）布線，將所有線路連接到一個(gè)配電室。其基本思路如下圖4-4所示，當(dāng)然這能夠?qū)崿F(xiàn)，有專門的人員去管理每個(gè)灌溉線路，確保指定時(shí)間后按時(shí)關(guān)閉電線開(kāi)關(guān)。這個(gè)時(shí)候，管理員必須要非常的盡職盡責(zé)?？墒?，人都會(huì)有犯錯(cuò)誤、疏忽的時(shí)候，如果一次的失誤如忘記拉開(kāi)關(guān)，可能會(huì)導(dǎo)致溫室灌水太多，從而造成經(jīng)濟(jì)上的損失。圖4-4非自動(dòng)控制條件下的作物灌溉系統(tǒng)示意圖農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使得對(duì)各種作物的種植都具有了一定的科學(xué)數(shù)據(jù)，如果能把各種信息采集設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)用到作為栽培之中，那么勢(shì)必會(huì)大大的提高生產(chǎn)力。本文主要探討作物需水自動(dòng)化控制系統(tǒng)在作物灌溉中的應(yīng)用。主要解決以下一些問(wèn)題：（1）科學(xué)的灌溉模型；（2）經(jīng)過(guò)對(duì)作物根域的土壤濕度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直接反映作物根系的需水量；（3）針對(duì)不同作物及其不同發(fā)育期，經(jīng)過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)輸入相關(guān)參數(shù)，使得土壤濕度達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到節(jié)水和精確灌溉的目的，并能靈活適用于多種場(chǎng)合；（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉閥門的狀態(tài)，而且做到自動(dòng)控制和手動(dòng)控制皆可使用。這些問(wèn)題的解決，對(duì)于作物灌溉系統(tǒng)的智能化以及自動(dòng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。4.3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)軟件啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化設(shè)置，如單片機(jī)串口初始化等。串口的初始化包括：確定編程寄存器的工作方式、確定串行口控制及需要進(jìn)行的中斷設(shè)置等。接收數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器，并由軟件讀入數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)讀入的位數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)完整時(shí)程序返回?cái)?shù)據(jù)，由濕度轉(zhuǎn)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，傳遞給數(shù)據(jù)分析、決策控制模塊，然后判定是否打開(kāi)閥門。閥門開(kāi)啟后實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度值，在土壤濕度值滿足閾值后，關(guān)閉閥門。如果未達(dá)到閾值則開(kāi)啟閥門重新灌溉，如果達(dá)到閾值則存儲(chǔ)出水量、閥門打開(kāi)時(shí)間、參考閾值及系統(tǒng)時(shí)間等，然后關(guān)閉數(shù)據(jù)接收。軟件流程圖如圖4-5所示。圖4-5系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)圖針對(duì)不同的控制對(duì)象，本系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的控制策略。結(jié)合農(nóng)民已有的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同地區(qū)土壤條件、氣候條件、作物種類及生長(zhǎng)階段、按照灌溉的要求特性及作物的生長(zhǎng)狀況，制定出合理的、便于實(shí)施的灌溉制度，包括不同作物、不同生育期的灌水起始點(diǎn)，灌水上限，預(yù)警閾值等方面。合理灌溉技術(shù)的關(guān)鍵是控制灌水的均勻度，以適量的水進(jìn)行適時(shí)灌溉，既能滿足作物對(duì)水的需要，又不至于造成土壤含水量過(guò)多和空氣濕度過(guò)大，引起作物發(fā)生各種霉病。4.3.2傳感器采集程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用的土壤水分傳感器FDS-100，模擬傳感器輸出模擬信號(hào)，在用CC2430處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)之前需先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再交由CC2430處理。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的設(shè)備是ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），CC2430內(nèi)部帶有一個(gè)8-14位的ADC，而且具有8路可配置的通道以及一個(gè)參考電壓發(fā)生器。在使用CC2430內(nèi)部的AD之前需先根據(jù)實(shí)際需求對(duì)其做出相應(yīng)的配置，以使其工作在合適的狀態(tài)下。1.ADC主要特性（1）參考電壓參考電壓為AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓，CPU正是以其為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算模擬輸入信號(hào)的大小。CC2430內(nèi)部的ADC經(jīng)過(guò)寄存器配置能夠選擇多種形式的參考電壓：A、內(nèi)部1.25V參考電壓。B、P0.7輸入電壓。C、CC2430供電電壓。D、P0.6和P0.7兩個(gè)引腳的差分輸入電壓。（2）輸入通道輸入通道為模擬信號(hào)的輸入端口，通道越多，CPU可采集的模擬信號(hào)路數(shù)越多。經(jīng)過(guò)寄存器配置可將CC2430P0口的8個(gè)引腳均配置為內(nèi)部AD的輸入通道。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需將不同模擬傳感器的信號(hào)輸出連接至8路通道中的一個(gè)。（3）分辨率分辨率為模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后的位數(shù)，是ADC的一個(gè)重要參數(shù)，分辨率越高，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)越精確，但相應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間也越長(zhǎng)。CC2430內(nèi)部ADC總共有四種形式的分辨率：8位、10位、12位、14位，這可經(jīng)過(guò)相應(yīng)的寄存器來(lái)配置，本文選用14位分辨率的ADC。2.模擬傳感器采集程序設(shè)計(jì)因?yàn)镃C2430內(nèi)部ADC具有連續(xù)轉(zhuǎn)換多個(gè)通道的功能，因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)應(yīng)將幾個(gè)通道的輸入信號(hào)依次轉(zhuǎn)換完畢以簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，并降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)換功耗。具體程序流程如圖4-6所示。圖4-6數(shù)據(jù)采集程序流程4.3.3顯示程序設(shè)計(jì)要想實(shí)現(xiàn)土壤濕度及時(shí)間的顯示，最重要的是對(duì)LCD12864的讀寫(xiě)操作，LCD12864有自己的RAM地址及指令，以及自身的標(biāo)準(zhǔn)字符庫(kù)。液晶顯示模塊OCM12864—9指令表如表4-1所示。表4—1液晶顯示模塊OCM12864—9指令表指令指令代碼用途A0/RD/WRD7D6D5D4D3D2D1D0顯示開(kāi)關(guān)010101011100：關(guān)閉1:開(kāi)始顯示行列開(kāi)始01001顯示開(kāi)始地址設(shè)置RAM顯示和地址行顯示頁(yè)碼地址設(shè)置0101011頁(yè)碼地址設(shè)置RAM頁(yè)碼地址行顯示狀態(tài)讀取001狀態(tài)0000讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)讀取101讀取數(shù)據(jù)從RAM中讀數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)寫(xiě)入110寫(xiě)入數(shù)據(jù)向RAM中寫(xiě)數(shù)據(jù)ADC選擇010101000000:正常1不正常顯示正常與否010101001100:正常1不正常結(jié)束01011101110清理讀/修改/寫(xiě)復(fù)位01011100010內(nèi)部復(fù)位電源控制設(shè)置01000101設(shè)置模式選擇內(nèi)部電源控制模式設(shè)置空指令01011100011空指令代碼測(cè)試0101111****芯片代碼測(cè)試讀/修改/寫(xiě)01011100000寫(xiě):+1讀：0顯示所有點(diǎn)開(kāi)關(guān)010101001000：正常顯示1：所有點(diǎn)開(kāi)始LCD初始化函數(shù)如下：voidLCDInit(void){ P1DIR|=0xFF;P2DIR|=0xFF;P0DIR|=0xFF;P1_2=0;//打開(kāi)背景燈 delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0xE2);//復(fù)位 delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0xA3); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0xA0); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0xC8); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0x24); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0x81); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0x14); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0x2F); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0x40);//從第一列開(kāi)始顯示 delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0xB0); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0x10); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0x00); delay_us(1000); WriteLCD(COMMAND,0xAF); WriteLCD(COMMAND,0x81); WriteLCD(COMMAND,0x1b); ClearScreen();SetContrast(20,80);}4.4灌溉模型設(shè)計(jì)在溫室栽培條件下，土壤水分平衡公式可表示為：式中：I——T時(shí)間段內(nèi)的灌水量(mm)；G——T時(shí)間段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量(mm)；T——T時(shí)間段內(nèi)的作物蒸發(fā)量(m1)：E——T時(shí)間段內(nèi)的作物用水量（ml）D——深層滲水量(mm)；。ASW——T時(shí)間段內(nèi)土壤有效儲(chǔ)水量的變化量(mm)：在溫室條件下，將上述公式表述的灌溉過(guò)程和用水過(guò)程可用圖4-7平衡示意圖進(jìn)行表示：圖4-7溫室土壤水平衡示意圖在溫室灌溉過(guò)程中，灌溉水量主要用于補(bǔ)充作物根系層的含水量，同時(shí)會(huì)有少量水分滲漏到地下水中，而灌溉的主要目的是補(bǔ)充作物根系層的土壤含水量，由此能夠確定每次灌溉水量定額。一般將能夠?yàn)楦堤峁┧枞克值?0%~90％的根系深度確定為有效根系層，由于高度不同和根的類型不同，不同作物有效根系的深度也不相同，因此灌水的深度不相同。土壤臨界含水量和土壤持水量之間的土壤含水量最適于植物的吸收利用，將其定義為適宜含水量。一般情況下，土壤持水量和臨界含水量之間的差值是允許耗水量，一般為30%~70％，據(jù)此我們能夠確定一次灌水的定額，凈灌水定額可用下列公式計(jì)算：式中：——灌溉定額(mm)：β——允許耗水量占有效含水量的百分比(％)；——土壤持水量，體積百分比(％)；——作物凋萎系數(shù)，體積百分比(％)；Z——有效根系層深度(cm)；——土壤濕潤(rùn)比，體積百分比(％)；η——灌溉水利用系數(shù)，體積百分比(％)。結(jié)合溫室管理人員已有的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同地區(qū)土壤條件、作物種類及生長(zhǎng)階段、按照灌溉的要求特性及作物的生長(zhǎng)狀況，本系統(tǒng)可根據(jù)需要制定出合理的、便于實(shí)施的灌溉策略，包括不同作物在不同生育期的凈灌水定額，灌溉水利用系數(shù)，灌水起始點(diǎn)，灌水上限，預(yù)警閾值等方面。合理灌溉技術(shù)的關(guān)鍵是控制灌水的均勻度，以適量的水進(jìn)行適時(shí)灌溉，既能滿足作物對(duì)水的需要，又不至于造成土壤含水量過(guò)多和空氣濕度過(guò)大，引起作物發(fā)生各種霉病。4.5系統(tǒng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目的實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用輪灌的方式對(duì)溫室作物進(jìn)行灌溉，以解決水資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，也有利于灌溉水在土壤較粘的情況時(shí)充分下滲。把大區(qū)域劃分成小區(qū)域?qū)嵤┹喒嗟淖龇朔怂畨翰粔?、水源不足的困難，能提高灌溉水利用效率，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的目的。4.5.1控制方式的選擇當(dāng)前中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉控制設(shè)備很不統(tǒng)一，有電機(jī)、水泵、電磁閥等，要使系統(tǒng)的控制信號(hào)具有通用性就要用系統(tǒng)的控制信號(hào)去控制一個(gè)開(kāi)關(guān)，而這個(gè)開(kāi)關(guān)去控制灌溉輸水控制設(shè)備的電源的通斷，從而達(dá)到系統(tǒng)控制灌溉的目的。繼電器是當(dāng)前使用得最廣泛的可控開(kāi)關(guān)，性能也比較可靠，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就選用繼電器作為控制灌溉輸水控制設(shè)備電源的開(kāi)關(guān)。繼電器有大有小，有交流控制也有直流控制，它的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)既能經(jīng)過(guò)直流也能經(jīng)過(guò)交流。由于是控制繼電器開(kāi)關(guān)的吸合，因此，要選用直流控制的繼電器。這種直流控制的繼電器功率一般較小，不能承受大電流交流電流過(guò)。對(duì)于交、直流供電且電流較小的灌溉輸水控制設(shè)備來(lái)說(shuō)，能夠直接用這種繼電器來(lái)控制?？墒菍?duì)于交流供電且電流較大的灌溉輸水控制設(shè)備來(lái)說(shuō)，就不能直接用這種繼電器來(lái)控制電源。這時(shí)，能夠再加一個(gè)可經(jīng)過(guò)較大電流的交電器，用直流小功率繼電器去控制大功率交流繼電器，大功率交流繼電器又去控制灌溉輸水控制設(shè)備的交流電源，這樣系統(tǒng)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)溫室灌溉的自動(dòng)控制。也就是說(shuō)，本文設(shè)計(jì)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)給出的控制信號(hào)具有通用性。4.5.2工作方式的選擇土壤濕度是灌溉控制的最重要參數(shù)，由于溫室設(shè)施農(nóng)業(yè)中土壤比較平整均勻，具有一定的一致性，能夠在一定面積范圍的土壤內(nèi)設(shè)置幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，取幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值來(lái)代表這一面積范圍土壤的含水狀況，這樣既能夠不需要太多的成本去購(gòu)置傳感器又能夠使土壤水分的測(cè)量比較準(zhǔn)確。當(dāng)系統(tǒng)用來(lái)控制灌溉時(shí)，能夠?qū)蓚€(gè)傳感器均勻分布埋設(shè)在這片土壤里，再取兩個(gè)傳感器測(cè)量的平均值來(lái)表示整片土壤的含水狀況，根據(jù)這個(gè)平均值來(lái)控制灌溉。同時(shí)還能夠用于花卉、盆景等經(jīng)濟(jì)植物的栽培中，分別將兩個(gè)傳感器插在不同種類的花卉盆或盆景中，根據(jù)不同種類花卉或盆景對(duì)水分的不同要求設(shè)置不同的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)和灌溉方式。針對(duì)不同的作物和不同的作物發(fā)育期需要有不同的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)和灌溉方式。這里所說(shuō)的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)指的就是作物缺水或是不缺水狀態(tài)下土壤水吸力的界限值。系統(tǒng)根據(jù)要求設(shè)置了兩種灌溉方式以供操作者在面對(duì)不同土質(zhì)時(shí)選擇使用。閉環(huán)控制方式在這種澆灌方式下，能夠設(shè)定土壤濕度上限值、下限值兩個(gè)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到土壤濕度低于下限值時(shí)，表示作物缺水，微處理器模塊給出控制信號(hào)，控制澆水。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到土壤濕度高于上限值時(shí)，表示澆水足夠，停止?jié)菜?。同時(shí)微處理器模塊將將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)和灌溉狀況在人機(jī)交互模塊的液晶屏上顯示出來(lái)。這種灌溉方式是針對(duì)那些滲水快的土壤設(shè)計(jì)的，當(dāng)灌溉后水能很快下滲，不需要延時(shí)等待。時(shí)間控制方式在這種澆灌方式下，能夠設(shè)定土壤濕度上限值和延時(shí)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到土壤水濕度低于設(shè)定的下限值時(shí)，表示作物缺水，微處理器模塊給出控制信號(hào)，控制澆水。當(dāng)澆水時(shí)間達(dá)到延時(shí)時(shí)間tl后，表示澆水足夠，系統(tǒng)停止?jié)菜?。這種灌溉方式是針對(duì)灌溉系統(tǒng)比較熟悉，預(yù)先知道灌溉量的情況設(shè)計(jì)的。即管理人員對(duì)灌溉系統(tǒng)很熟悉，知道它一分鐘能夠澆多少水，同時(shí)也知道某種作物在缺水后需要補(bǔ)充多少水分，這時(shí)管理員就能夠設(shè)定一定的延時(shí)時(shí)間，澆灌夠確知的作物需水量后就停止?jié)补?。上述兩種灌溉方式是基本上能夠滿足系統(tǒng)工作時(shí)的要求。4.6本章小結(jié)軟件是控制模塊的靈魂，要求和硬件配合，本章主要解決何時(shí)灌和灌多長(zhǎng)時(shí)間的決策問(wèn)題，還要兼顧人員對(duì)參數(shù)的修改，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等問(wèn)題。在硬件電路的基礎(chǔ)上，完成對(duì)各個(gè)功能模塊的軟件設(shè)計(jì)，包括主程序的設(shè)計(jì)、土壤濕度傳感器采集程序的設(shè)計(jì)和顯示程序設(shè)計(jì)等。5系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證5.1驗(yàn)證內(nèi)容本系統(tǒng)是針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，在使用中需要針對(duì)部署方案進(jìn)行測(cè)試。本系統(tǒng)在西北農(nóng)林科技大學(xué)閻良甜瓜基地進(jìn)行了初步試驗(yàn)，該基地溫室大棚采用地面固定式滴灌系統(tǒng)，每塊地采用一主管加多支管的梳狀輸配水管網(wǎng)。根據(jù)該基地9個(gè)日光溫室大棚的特點(diǎn)，溫室大棚一共布置了9個(gè)設(shè)備，土壤濕度傳感器插入土壤大約10厘米處，經(jīng)過(guò)電纜接入數(shù)據(jù)采集模塊。系統(tǒng)每隔10分鐘采集一次土壤濕度數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集之后，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至下一個(gè)采樣周期喚醒。該系統(tǒng)自12月部署完成后已持續(xù)正常工作12個(gè)月，設(shè)備在異常掉電重啟后能快速的恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。甜瓜蒸騰作用強(qiáng)，需水量較多，雖然有強(qiáng)大的根系，在旱季也要適當(dāng)?shù)墓喔纫詽M足對(duì)水分的需要。嚴(yán)重缺水，則影響正常發(fā)育，并導(dǎo)致落瓜。甜瓜不耐澇，土壤濕度過(guò)大則引起根系窒息而死，空氣濕度過(guò)大，不但影響果實(shí)品質(zhì)，也易感病，一般要求相對(duì)濕度50%~60%左右。如圖5-1溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理界面所示，系統(tǒng)具有與一階慣性系統(tǒng)相似的響應(yīng)特性，表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，系統(tǒng)運(yùn)行55min即能將溫室內(nèi)土壤濕度由24%提高到設(shè)定的55%，系統(tǒng)超調(diào)量≤4%。而一般果蔬類植物對(duì)水分的脅迫的忍耐時(shí)間至少在1h以上，可見(jiàn)本系統(tǒng)的快速性能夠滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)的要求。圖5-1溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理界面6總結(jié)與展望6.1總結(jié)針對(duì)溫室環(huán)境濕度大、基礎(chǔ)設(shè)施少、作物眾多且動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)技術(shù)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室作物根系處土壤濕度，具有系統(tǒng)誤差低、響應(yīng)速度快、部署靈活、成本低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單成本低、可維護(hù)性高、可靠性好及灌溉閾值設(shè)置靈活等優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)后期應(yīng)用證明其具有良好的穩(wěn)定性，并能滿足不同作物不同時(shí)期灌溉的需要。該設(shè)備的研制和使用為建立大遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。6.2展望對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，采用液晶屏顯示，顯示內(nèi)容更豐富。而采用CC2430作為微處理器模塊，使土壤濕度傳感器能夠與單片機(jī)直接相連，減少了A/D轉(zhuǎn)換電路，不但使電路