智能农业监测系统设计毕业论文Word格式文档下载.docx

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4.2软件流程分析28

4.3各模块程序设计28

4.3.1数据采集模块程序设计28

4.3.2显示模块程序设计31

4.3.3执行模块及报警模块程序设计32

第5章系统调试34

5.1软硬件调试34

5.1.1硬件调试34

5.1.2软件调试34

5.1.3软硬件关联调试34

5.2功能测试34

结　论36

参考文献37

致　谢39

附　录40

前　言

自从改革开放以来我国经济发展发生了巨大变化，但农业一直在国民经济中占有重要地位，可是随着社会的高速发展，传统的农业生产方式已经渐渐满足不了现代经济发展的需求。

并且我国虽有广阔的疆域，但大部分地区并不适合农业生产。

所以为了使农业发展跟上现代经济发展的步伐，必须得通过运用现代科技来渐渐改善传统的农业生产方式。

众所周知环境无疑是影响农业生产的最大因素，但在自然状态下人们很难干预环境对农业生产的影响，因此温室大棚应运而生。

温室大棚是最能代表现代农业生产的科技产物之一。

但温室大棚之所以能够有效的控制农作物生长环境，就是依赖于它对部环境的实时监测，可是先进监测技术投入成本高，操作技术复杂，对操作人员的素质要求很高，使得这种先进的温室种植技术难以在普通农民用户中得到推广。

大多数普通农民用户还是依靠人工操作对温室环境进行监测。

这种方法不但耗时耗力，并且效率很低，很难达到实时监测的要求。

从而无法在最恰当的时刻及时做出对环境的调控，例如湿度低了需要浇水，温度低了需要保暖，光照不足需要加强光照度，二氧化碳浓度过高需要通风等。

这些对农作物生长最重要的环境因素只有在实时有效的监测下，并且及时做出反馈调控才能更利于作物生长提高产量，从而使温室大棚的经济效益显著提高。

本设计就是一套以嵌入式系统为基础，做到对温室温湿度、光照强度、CO₂浓度实时监测，并在各项指标达到预设值时立马做出信息反馈，调动其他设备及时对温室环境做出调控的智能农业监测系统。

就技术层面而言本系统主要包括环境监测模块、数码显示模块、报警模块、数据传输电路以及执行调节电路。

环境检测块用到的传感器主要有：

DHT11（温湿度监测）、MH-410D5（二氧化碳传感器）、MQ-2（烟雾监测传感器）、TSL2561（光照强度传感器），数据传输电路为预留RS485接口，数码显示模块为P35屏，主控为三星公司的S3C2440A芯片。

本课题意在打造一款智能化程度高、可靠性强、稳定性好、操作简单、成本低廉适合普通农民大众使用的温室大棚智能农业监测系统。

第1章绪论

1.1智能农业监测系统的概念

智能农业监测系统是温室大棚一套对部作物生长环境能够实时监测，并且实时控制的系统。

它是现代化温室大棚农业技术的核心，正是由于温室大棚拥有强大的监测系统，它才能创造出最适宜作物生长的环境，提高作物产量，使农业经济效益得到显著提高。

1.2智能农业监测系统的主要容

本智能农业监测系统是以ARM9系列的S3C2440A为控制核心，具有优越的嵌入式特性和强大的数据分析能力，与传统51芯片相比ARM芯片在性能上有了巨大的飞跃，配合上DHT11、MH-410D5、TSL2561等传感器的使用，本系统做到了对温室各项重要环境数据的实时监测。

该监测系统不但可以监测作物生长环境指标，还可以通过对传感器采集过来的数据进行分析，在恰当的时刻做出合理的反馈控制，进而达到对温室大棚环境的调节功能。

再配备MQ-2（烟雾监测传感器）和报警电路使它还担负起了大棚火灾预警功能增加了温室大棚的安全系数。

整个温室大棚的环境指标都会以数据的形式在P35屏上直观的显示出来，用户还可以通过屏幕上的虚拟按键对温室大棚环境进行控制调节，例如浇水、升温、通风、增强光照等操作。

系统还预留有RS485接口，实现了整个系统的远程控制。

1.3智能农业监测系统的主要特点

和传统农业监测相比，智能农业监测系统具有以下几个主要特点：

（1）灵敏度高，本监测系统采用当代行业流行的传感器，传感器技术成熟制作精良，温室环境发生轻微变化，系统都能检测到；

（2）能够进行连续实时监测，本监测系统上电后不再需要人工控制，置主控芯片可以实时连续读取监测数据，并在极短时间间隔处理数据做出相应；

（3）测量精度高，本监测系统各项监测数据采用采集多组数据然后取平均值进行分析，大大提高了测量精度；

（4）具有自动控制能力，系统可以根据不同时期的不同预设值与温室采集到的值进行对比，进而做出相应的控制调节；

（5）系统稳定性高；

（6）能够实现复杂的控制功能；

（7）具有远程控制功能，本监测系统预留有RS485通信接口，可以与计算机相连，从而实现让你足不出户就能实现对温室大棚的远程控制。

1.4智能农业监测系统的研究意义

近年我国在温室环境监测领域上做了很多研究，并且在温室栽培等技术上获得了显著成果。

但由于我国在该领域的研究起步时间太晚，缺乏配套的技术与设备，使得我国在环境监测领域能力低，现代化农业生产能力有限。

可以具备全年生产能力的大型现代化温室大棚很少。

如果依靠国外进口的温室设备，投资又非常巨大，并且温室操作复杂，对工作人员的素质要求也很高，因此我国在温室环境监测领域还有很多地方需要提高。

本智能农业监测系统正好迎合了我国现在的广大普通农民用户的需求，它成本低、操作简单、智能化程度高的特点使它具有良好的应用前景和广阔的市场前景。

适合在普通农民用户中进行推广，为我国普通农民大众带来良好的经济效益。

1.5农业监测系统的发展历程与未来发展趋势

从20世纪70年代开始，人们利用模拟式组合仪表，采集现场信息，并且进行指示、记录和控制。

到了80年代末，出现了分布式环境监测系统。

现在最前沿的温室监测系统为以计算机数据采集控制系统为基础的多因子综合控制系统[1]。

21世纪是一个网络时代，很多技术都在向网络的方向发展，农业监测系统也不例外，在实现自动化的基础上实现温室大棚的网络自动化管理，无线互联网控制，在强大的“云服务”控制下创造出完全自动化、无人化的农业生产基地是智能农业监测系统未来发展的趋势之一。

第2章智能农业监测系统的总体设计方案

2.1智能农业监测系统设计概述

2.1.1功能要求

（1）系统能够实现对温室大棚的温室度、光照强度、CO₂浓度、烟雾浓度达到实时监测。

（2）当温室某项环境指标达到预设值时系统要发出相应的反馈控制信息。

（3）温室大棚被监测的环境数据要以直观易懂的形式在LCD屏上显示出来，用户还要能够通过屏幕上的虚拟按键实现对温室相关设备的控制。

（4）本系统硬件设计有RS485接口，能够实现对系统的远程监测。

2.1.2技术指标

・额定电压：

5V

・额定电流：

1.5A

・环境温度：

0～50℃

・检测参数及围见表2-1

表2-1系统环境检测参数

所选传感器

检测参数

检测围

检测精度

DHT11

温度

±

2℃

湿度

20％～90％RH

5％RH

TSL2561

光照

0～70000勒克斯（Lx）

50Lx

MH-410D5

CO₂

0～10000ppm

50ppm

MQ-2

可燃性气体、烟雾

0～100％LEL

5％LEL

2.2智能农业监测系统的硬件设计方案

智能农业监测系统有一个微处理器做为主控，在该微处理器的外围进行设备扩展如添加Nandflash作为系统的ROM、SDRAM作为系统的RAM、传感器作为环境检测模块、P35屏作为显示器、蜂鸣器作为报警装置、485接口作为通信接口。

图2-1表述了智能农业监测系统的硬件结构原理图。

图2-1智能农业监测系统结构图

1.微处理器

微处理器又称MCU，它是由一片或少数几片大规模集成电路组成，具有电路执行控制能力与算数逻辑运算功能，在微型计算机中担当“大脑”一职。

本智能农业监测系统的硬件设备就相当于一部微型计算机，其中“大脑”一职由三星公司生产的S3C2440A承担。

2.传感器

传感器是一种检测装置，它能够接收到被测量的信息，并且能够将接收到的信息，按照一定的规律转变为电信号或其他形式信息传输出去，进而实现信息的传送、处理、储存、显示、控制等需求。

通常由感应元件和转换元件组成[2]。

本智能农业监测系统用到的传感器有DHT11、MH-410D5、TSL2561、MQ-2，作为本监测系统的监测模块，它们分别负责监测温室大棚中的温湿度、CO₂浓度、光照强度、烟雾与可燃性气体浓度等农作物生长所必须的环境因素和大棚的火灾预警。

3.数据显示

数据显示是为了更好的实现人机交互，方便用户的用户操作，使用户更直观的了解到温室大棚各项环境指标的实时变化。

本智能农业监测系统所选的显示模块为P35触摸屏，它不但负责数据显示的任务同时还承担着“按键”的责任，屏幕上会呈现四个“虚拟按键”分别负责对温度、湿度、CO₂浓度、光照强度的调节。

4.扩展接口

为了增强系统的拓展功能应合嵌入式可裁剪、方便移植的特性，本智能农业操作系统中预留了一个RS485串口接口，该接口可以将系统检测的数据发送到数千米外，将接口接入电脑便可实现对系统的远程监测[3]。

5.火灾预防

处于安全生产考虑本系统增加了火灾预警模块，该模块包含烟雾与可燃性气体检测和报警功能，MQ-2可以检测烟雾浓度与易燃性气体浓度，当二者浓度超过警戒值时蜂鸣器就会被拉响。

2.3智能农业监测系统的软件设计方案

智能农业监测系统的硬件电路确定以后，软件负责整个系统的主要功能实现。

由软件来实现硬件电路的运行，其中包括数据采集、数码显示、环境调节、超阈值报警等。

本系统的软件设计需要有一个细致全面的过程。

首先要清楚的列出智能农业监测系统中各系统部件与软件设计的相关特点，并进行定义和说明，作为软件设计的依据。

在此基础上画出软件设计的基本框架图、主程序流程图。

再将程序流程图中列举的一系列操作用C语言编写出来，然后通过Keiluvision4编译调试，调试完成后通过J-FlashARMV4.36g下载到系统的NandFlash，至此软件设计基本完成。

第3章智能农业监测系统硬件设计与实现

3.1微处理器的选择

本智能农业监测系统选择的微处理器为三星公司生产的S3C2440A。

3.1.1S3C2440A简介

S3C2440A由三星公司生产，以ARM920T为核心，采用0.13µ

m的CMOS存储器单元和标准宏单元。

具有功耗低，精简，全静态特点，它是专门针对成本和功率敏感型的应用而设计的。

S3C2440A的突出特点是其处理器核心，是一个由AdvancedRISCMachines（ARM）公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。

实现了MMU与AMBA总线以及哈佛结构的高速缓冲体系，具备独特16Kb的高速指令缓存和数据缓存，使得它的性能非常出众[4]。

3.1.2S3C2440A的部组成结构

S3C2440A的核组成结构如图3-1所示：

图3-1S3C2440A核结构框图

3.1.3S3C2440A的主要功能介绍

S3C2440A的主要片上功能有：

●1.2V核供电,1.8V/2.5V/3.3V储存器供电,3.3V外部I/O口供电，具备16KB的高速数据缓存和16KB的高速指令缓存和MMU的微处理器

●外部存储控制器（SDRAM控制和片选逻辑控制）

●LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT）提供1通道LCD专用DMA

●4个DMA通道并有外部请求引脚

●3个UART通道（IrDA1.0,64字节发送FIFO和64字节接收FIFO）

●2个SPI通道

●1个I²

C总线接口（支持多主机）

S总线音频编码器接口

●AC’97编解码器接口

●支持SD主接口协议1.0版和MMC卡协议2.11兼容版

●2个USB主机通道/1个USB设备通道（1.1版）

●4个PWM定时器通道和1个部定时器/看门狗定时器通道

●8个10位ADC通道和触摸屏接口

●具有日历功能的RTC

●摄像头接口（最大支持4096×

4096像素输入；

2048×

2048像素输入支持缩放）

●130个通用I/O口和24通道外部中断源

●具有普通，慢速，空闲和掉电模式三种模式

●具有PLL片上时钟发生器

3.1.4S3C2440A的PWM定时器

S3C2440A有5个16位定时器。

其中定时器0、1、2、3具有脉宽调制（PWM）功能。

定时器4为部定时器没有输出引脚。

定时器0包含一个死区发生器，用于大电流驱动[5]。

定时器0和1使用同一个8位预分频器，定时器2、3、4共用另外一个8位预分频器。

每个定时器都包含一个时钟分频器，可以生成5种不同的分频信号（1/2、1/4、1/8、1/16和TCLK）。

每个定时器模块都是从相应预分频器中的时钟分频器来得到自己的时钟信号。

8位预分频器是可编程的，并且按照存储在TCFG0和TCFG1寄存器中的加载值来分频PCLK。

定时器递减初始值储存在定时计数缓冲寄存器（TCNTBn）中，定时器在递减计时开始前还需要一个与定时器递减初始值做比较的比较初始值，该值储存在定时比较缓冲寄存器（TCMPBn）中，该值的主要用于脉宽的调制（PWM）。

TCNTBn和TCMPBn双缓冲寄存器有效的确保了改变频率和占空比时，定时器仍然能够产生稳定的输出。

每个定时器都有自己独立的16位递减计数器用于定时。

当递减计数器的值减到0时，就会产生一个定时器中断请求信号，告知CPU定时任务已完成。

当一个定时任务完成后，相应的定时计数缓冲寄存器（TCNTBn）中的初始值会被自动加载到递减计数器中，继续进行下一个定时操作。

如果定时器被关闭，例如，定时器在运行过程中TCONn的定时使能位突然被清除，则定时计数缓冲寄存器（TCNTBn）中的值将不会被再次加载到递减计数器中。

定时器不占用系统时间，从这点可以看出定时器是一个具有高效效率的组件。

3.1.5S3C2440A的中断系统

S3C2440A的中断系统主要用于对温室大棚环境的实时监测过程中，对温室环境的调节。

中断的基本含义为CPU在运行过程中，突然遇到另一件事情需要立马处理，此时CUP会暂停当前执行的事件，跳转执行另一个事件的过程。

S3C2440A芯片中包含60个中断源，其中包括36个部中断源和24个外部中断源（EINTn）。

部中断包括2个看门狗中断、5个定时器中断、9个UART中断、4个DMA中断、2个RTC中断、2个ADC中断、1个I²

C中断、2个SPI中断、1个LCD中断、1个电池故障中断、1个NANDFLASH中断、1个摄像头中断、1个AC97中断。

在这60个中断源中，UARTn中断、AC97中断、外部中断对中断控制器是“或”的关系。

当中断请求引脚收到中断请求信号时，中断控制器在仲裁步骤后再请求核的FIQ或IRQ。

仲裁步骤由硬件优先级逻辑决定，并且将结果写入到发生中断的中断源的挂起寄存器中。

中断处理过程如图3-2所示：

图3-2中断处理框图

中断优先级判断如图3-3所示：

图3-3中断优先级判断框图

3.2传感器的选择

3.2.1传感器的对比与选择

1.温湿度传感器

在本系统开发之初，对温湿度传感器的选择有两种方案，一种是使用DS18B20和CHR-01湿敏电阻两种传感器组合，对于该组合来说，其中的DS18B20作为一线连接数字温度传感器拥有十分突出的优点。

工作电压为3～5.5V/DC，其温度测量围十分广阔为：

-55～+125℃，温度转换延时仅为750ms，测量结果以9～12位数字量方式串行传送，精确度最高可调至0.0625℃。

并且可以将分辨率设定参数和温度阈值存储到EEPROM中，即使掉电也不会丢失。

对于湿度采集，该组合中的CHR-01湿敏电阻，最高工作温度120℃，工作电压AC1V（50～2KHz），特征阻抗与围为30（21～45）KΩ，测量围：

20%～90%RH，精度±

5%RH，响应时间≤12s，湿度漂移（/年）±

2%RH，具有检测精度高、性能稳定可靠、响应速度快、防水等特点。

另一种方案是直接采用DHT11数字温湿度传感器。

该传感器自身已经校准，并且将温度与湿度传感器复合为一体，工作电压为3.3～5.5V/DC，温度量程为：

0～55℃，湿度量程为：

20%～90%RH，精度分别为：

2℃和±

5%RH。

分辨率：

湿度1%RH、温度1℃，湿度漂移：

＜±

1%/RH/年。

转换延时小于5s，一般通电后仅需等待1s左右，并且它采用单总线输出使用方便，可直接与高性能单片机相连。

虽然方案一具有测量精度高和测量围广的优势，但考虑到组合的形式，会增加系统复杂度进而降低了系统的稳定性，并且方案一的湿度传感器还需要单独添加一个AD转换模块，从而进一步增加了系统的复杂度和成本。

所以处于简单稳定、成本低廉同时又满足需求的考虑，本系统温湿度传感器选择DHT11。

2.光照传感器

基于经济实用、简单稳定的考虑，本智能农业监测系统的光照传感器为TSL2561。

它具有高速度、低功耗、宽量程、可编程灵活配置等优点，并且它集光照强度采集与积分式A/D转换器于一体，可将光敏电流直接转化为一个数字输出，采用I²

C总线协议与MCU进行数据传输，使用简单方便。

3.二氧化碳传感器

目前检测CO₂浓度的传感器主要有固体电解式（如TGS4160）、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等。

而这类传感器存在对气体选择性差、易出现检测错误、稳定性差需要频繁校准、使用寿命较短等缺点。

而红外吸收型CO₂传感器具有宽围、灵敏度高、响应速度快、选择性能好、稳定性强等特点，所以本智能农业监测系统采用红外吸收型CO₂传感器MH-410D5。

4.烟雾传感器

为了给本智能农业监测系统增加火灾预警功能，本系统选择MQ-2气体传感器作为烟雾检测模块，它独特的气敏特性使它处在可燃性气体环境中时，电导率可以随着空气中可燃性气体浓度的增加而增大。

所以使用简单的电路即可使它的电导率的变化转化为与空气中可燃性气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2可检测多种可燃性气体，是一款应用广泛的低成本气体传感器。

3.2.2传感器简介

1.DHT11

DHT11为一款免校准数字温湿度复合传感器，其基本参数如表3-1。

表3-1DHT11技术参数

供电电压

3.3～5VDC

输出类型

单总线串行输出

温度测量围

湿度测量围

20～90%RH

温度测量精度

湿度测量精度

5%RH

分辨率

湿度1%RH，温度1℃

湿度漂移

1%RH/年

实物如图3-4所示：

图3-4DHT11模块

DHT11部不含有电阻式感湿元件和NTC测温元件。

可以直接与MCU相连，并且直接输出数字量免除了AD转换的烦恼。

其传输距离在20M以上，并且它体积小、功耗低、性能稳定可靠、封装简单、连接使用方便、成本低廉等特点，使其在应用上广受欢迎。

2.TSL2561

TSL2561是TAOS公司推出的一款高速度、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光照强度数字传感器。

其基本参数如表3-2所示：

表3-2TSL2561技术参数

2.7～3.5VDC

I²

C

测量围

1～70000Lx

工作温度

-30～70℃

实物如图3-5和图3-6所示：

图3-5TSL2561

图3-6TSL2561模块

由于它突出的优点，该传感器被广泛应用于多变光照条件下的光强检测，如街道灯光照明控制、安全照明等众多场合。

3.MH-410D5

MH-410D5是一款通用型、智能型、微型红外气体传感器，它利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO₂进行检测，具有良好的选择性、无氧气依赖性、性能能稳定、使用寿命长等特点。

其基本参数如表3-3所示：

表3-3MH-410D5技术参数

工作电压

3.5～5.5VDC

工作电流

75～85mA

0～5%vol（0～100%vol围可选）

输出信号围

0.4～2Vdc

输出方式

UART串行输出

1%FSD

预热时间

90s

响应时间

T90＜30s

重复性

零点＜±

100ppm

SPAN＜±

500ppm

长期漂移

300ppm/月

500ppm/月

温度围

-20～50℃

湿度围

0～95%RH

寿命

＞5年

注：

1%vol=10000ppm

实物如图3-7

图3-7MH-410D5

MH-410D5置温度传感器，可进行温度补偿；

该传感器是将成熟的红外吸收气体检测技术与微型机械加工技术、精良电路设计技术紧密结合，制作出的小型红外二氧化碳气体传感器。

该传感器使用方便，被广泛应用于各个场所的CO₂检测。

4.MQ-2

MQ-2气体传感器是使用气敏材料二氧化锡（SnO₂）制成，二氧化锡在洁净的空气中电导率较低，但其所处环境中存在如：

液化气、丙烷、氢气、可燃蒸汽、天然气等可燃性气体时，它的电导率会随着这些可燃性气体在空气中的浓度的增加而增大。

由于它的这种特性使MQ-2成为一款可以检测多种可燃性气体，并且适合多种应用的低成本传感器。

其基本参数如表3-4。

表3-4MQ-2技术参数

Vc回路电压

≤15V（ACorDC）

Vh加热电压

5.0V±

0.2V（ACorDC）

Rl负载电阻

可调

Rh加热电阻

31Ω±

3Ω（室温）

Ph加热功率

≤900mW

使用温度

-10℃～50℃

储藏温度

-20℃～70℃

相对湿度

小于95%RH

氧气浓度

21%（标准）

探测浓度围

100ppm～10000ppm（丙