1105130325黄志强基于无线网络的温室大棚监控系统的设计Word文件下载.docx
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1.2国内外现状
目前世界上一些发达国家已经开始大力发展集约化的温室产业，已经基本实现了温室大棚内部温度、光照、水、气、肥使用计算机进行调整和控制。
现在，欧美国家开始要求控制能够在远离温室的计算机控制室或者移动终端上就能够完成，即远程控制。
在此之外，还支持网络连接多个通讯平台，使用者可以原通过十分形象、直观的图形化界面与分布式的控制系统进行通信，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感[1][2]。
相对于国外温室大棚的发展，我国农业计算机的面向温室大棚的应用是从上世纪七十年代起步的[5]，在上世纪80年代左右计算机技术正式开始应用于温室大棚的控制和管理领域。
在上世纪90年代初期的时候，我国广大的农业科研工作者首次开发了基于微软操作系统的温室大棚控制软件；
上世纪90年代中后期，我国科研工作者又继续研制出了温室软硬件控制系统，该系统已经能够对温室大棚的营养液系统、温度、光照、CO2、施肥等进行计算机控制，是目前我国目前已经实现国产化的温室计算机控制系统[4]。
1.3本文研究的主要内容
本文主要通过单片机作为下位机的微处理器，控制下位机的各个模块，进行数据的读取通过RS232与上位机建立通信。
将数据传与上位机进行分析。
同时，利用PC机作为上位机，获取下位机的各项数据。
同时将该信息上传至数据库，用以保存或查询。
第二章系统总体设计方案
本设计的的系统整体架构图图1所示：
图1系统整体架构图
2.1本系统的设计要求
根据本第一章的内容，结合我国的实际情况，对本设计提出了如下要求：
操作简单、可移植性良好、数据采集全面、改善生长环境、安全性高、可靠性好、
价格低廉、可扩展性良好、维护简单。
2.1.1操作简单
因为本设计的面向操作人员是广大农户，他们普遍的文化程度不高，因此本设计的操作系统应该较为简单，方便学习。
让广大农户能够快速掌握操作方式，操作方式直接，操作功能全面。
因此本设计的操作系统应该操作简单。
2.1.2可移植性良好
由于我国国土面积广大，地理环境多样、复杂。
从我国南部到北部，从东部到西部，有着温差大，土质环境多样，种植的农作物种类不同，所需环境不同等诸多因素影响，所以就要求本设计能够适应多种环境，能够种植多种农作物。
因此本设计必须拥有良好可以移植性。
2.1.3数据采集全面
在温室大棚的生产过程中，能够影响农作物生产的环境因素多种多样，例如室内温度，土壤的湿度，空气的湿度百分比，土壤肥力的肥沃程度等等。
因此，本设计对数据的采集应该全面。
2.1.4改善生长环境
为了使大棚内农作物的生长环境最适合该农作物的生产，所以对于不利于或者不适宜的生长环境就需要改变。
因此本设计必须具备改善生长环境的能力。
2.1.5安全性高
为了保障农户的利益，让农户的免受意外损失，免受犯罪分子的威胁，因此本设计必须具有很好的安全性。
2.1.6可靠性好
为了保障广大农户的经济利益不受到意外状况而产生的损失损失，减少由于意外断电，断水等不可以逆因素而产生的损失，因此本设计必须具有优良的可以靠性，保证在绝大部分情况下可以正常运行。
2.1.7价格低廉
为了降低本设计的推广成本，便于本设计的系统化，规模化应用，同时降低农机的生产成本，因此本系统应该价格低廉。
2.1.8可扩展性良好
为了适合不同的使用人群，例如科研机构，部队等，让用户实现非通用的，独有的使用环境，因此系统必须支持一定的可以扩展性[6]。
2.1.9维护简单
为了让使用者在使用过程中便于对设计进行维修和维护等，因此本设计必须具有良好的维护性。
综上所述，本设计应该具有上述九个特点，完成上面九个技术要求。
2.2硬件功能设计
本设计中的硬件主要承当的作用是：
1）在主控芯片的控制下，采集各自对应的数据
2）在主控芯片的控制下，进行大棚内部条件的改善
3）外围功能1，2的实现
本设计中的硬件功能主要有：
主控芯片模块、数据采集模块、太阳能随动模块、灯光补偿模块、蓄能模块、恒温控制模块、报警和显示模块、补水电路模块，同时，使用者可以按照各自的要求进行对应的扩展。
2.2.1主控芯片模块
本模块的作用是统筹下述述所有功能的驱动、控制、监测、数据处理等，同时，和上位机进行数据交互。
1）主控芯片的选择
2）主控芯片外围电路的设计
2.2.2数据采集模块设计
本模块的主要功能是用在主控芯片的控制下，经过A/D转换芯片，将采集到的模拟值装换成对应的数字值，供主控芯片使用。
本模块的设计重点是：
1）A/D采集芯片的选择
2）A/D采集芯片外围电路的设计
3）数据传感器的选择
2.2.3太阳能随动模块设计方案
本模块的主要功能是以主控芯片控制42步进电机转动，根据数据采集而来的信息，进行处理，驱动42步进电机左右旋转，让光能发电板受到的光照强度始终最强。
1）光敏传感器的外围电路
2）42步进电机的驱动电路的设计
2.2.4灯光补偿模块设计方案
本模块的主要功能是在光敏传感器采集到温室内灯光强度不够的时候，通过驱动本模块进行分级灯光补偿，让大棚内部的光照强度时时刻刻保持在最优强度。
1）光敏传感器的外围电路（由于在2.2.1大阳能随动模块设计方案中已经对这个电路进行了设计，这里不再进行重复设计！
）
2）补偿LED灯光电路设计
2.2.5蓄能模块设计方案
本模块的作用是在外界断电之后，能够以蓄电池储蓄的电力维持本设计最低运行要求运行，维持到外部电源恢复之后，系统转至正常工作。
因此，蓄电模块是设计中一个十分重要的模块。
1）稳压、滤压装置（过滤12V以下电压，将12V以上电压降至12V）
2）太阳能充电电路的设计
2.2.6恒温模块设计方案
本模块的作用是在温度传感器检测到温度异常之后，驱动本模块让温度脱离异常状态。
1）半导体驱动电路的设计
2）风扇驱动电路的设计
2.2.7报警和显示模块设计方案
本模块的作用是将传感器采集来的数据交由显示屏进行显示，异常状态下驱动对应的蜂鸣器鸣叫和LED灯闪烁。
1）XPT20461芯片A/D转换电路
2）蜂鸣器电路的设计（单一，实际运用时多个电路并联使用）
3）LCD显示屏驱动电路的设计
2.2.8.补水电路设计方案
本模块的作用是是通过驱动芯片接受主控芯片发出的信号，根据对应的信号驱动抽水电机按照不同的速率工作，提供不同的水量。
1）抽水机分布的设计
2）驱动电路的设计
本设计的硬件功能图如图2所示：
2.3软件功能设计
本设计的软件功能在本设计中是十分重要的，起到了枢纽作用，因此软件的实现也是本设计的重点和难点。
本设计的软件的设计主要分为下述几个方向：
1）主控芯片程序的设计
2）上位机程序的设计
3）传输协议的设计
4）数据库的设计
2.3.1主控芯片程序的设计
主控芯片的程序在本设计的地位十分重要，它是本设计中下位机的控制中枢，同时也是和上位机进行通信的桥梁。
图2硬件功能示意图
主控芯片程序分为如下设计：
数据采集程序设计、反馈调节程序设计、太阳能随动模块程序设计、时间控制程序设计
同时，每个程序的设计都应该符合下述要求：
2.3.1.1数据采集程序设计
大棚内的数据是本设计十分重要的一个环节，它是其他环节的基础。
1）空气温度采集
大棚内的温度对于农作物的生长是十分重要的，通过硬件传感器收集到温度的模拟量数据，通过本设计所选择的A/D采集芯片，将采集的数据装换成数字量供主控芯片使用，在用程序将其温度分级----正常，低温，高温：
正常温度条件下不进行任何操作，低温条件下驱动恒温控制模块将温度升高，高温条件下驱动恒温控制模块降低温度。
其作用是在温度异常的情况下，给出对应的异常代码。
2）土壤湿度采集
温室大棚内部的土壤湿度条件是影响农作物生长的一个重要的参数条件，因此将土壤的湿度维持在适宜农作物生长的湿度范围内是十分重要的，且必须完美实现的。
通过硬件传感器收集到土壤湿度的模拟量数据，通过本设计所选择的A/D采集芯片，将采集的数据装换成数字量供主控芯片使用，在用程序将其湿度分级----正常，缺水：
正常土壤湿度条件下不进行任何操作，缺水条件下驱动抽水机模块补水。
其作用是在土壤湿度异常的情况下，给出对应的异常代码。
3）液位传感器
蓄水池是一个保障温室在大环境缺水的情况下也能正常工作的一个重要设备，而检测蓄水池内液位的高低，从而判断蓄水池内蓄水量的多少是十分重要的。
而为了实现这个要求，需要液位传感器，将经过液位传感器收集到蓄水池水位高低的模拟量数据，通过本设计所选择的A/D采集芯片，将采集的数据装换成数字量供主控芯片使用，在用程序将蓄水池内水量分级----正常，缺水：
正常蓄水湿度条件下不进行任何操作，缺水条件下驱动抽水机模块补水。
其作用是在蓄水池液位异常的情况下，给出对应的异常代码。
4）光敏传感器
A）光敏传感器是随动太阳能模块中的数据收集方案，通过光敏传感器收集到光照强度的模拟量数据，通过本设计所选择的A/D采集芯片，将采集的数据装换成数字量供主控芯片使用，在用程序确定太阳能随动模块的转动方向----正常，左转，右转：
正常条件下不进行任何操作，左转条件下驱动太阳能模块，右转条件下驱动太阳能模块右转。
其作用是确定太阳能模块的转动方向，给出对对应的转动代码。
B）检测温室大棚内部的灯光状况[7]，通过光敏传感器收集到光照强度的模拟量数据，通过本设计所选择的A/D采集芯片，将采集的数据装换成数字量供主控芯片使用，确定室内的灯光强度----正常，缺光：
正常条件下不进行任何操作，缺光条件驱动灯光补偿模块进行灯光补偿。
其作用是确定是否需要灯光补偿，以及灯光补偿的等级的代码。
5）烟雾传感器
大棚内空气状况也是农作物生长的一个重要因素，通过烟雾传感器收集到室内烟雾的模拟量数据，通过本设计所选择的A/D采集芯片，将采集的数据装换成数字量供主控芯片使用，在用程序确定烟雾等级----无烟雾，有烟雾：
无烟雾条件下不进行任何操作，有烟雾条件下驱动恒温控制模块将烟雾排除。
其作用是室内烟雾的存在情况，给出对应得异常代码。
6）红外传感器
红外传感器是安全检测的一个重要组成部分，它的作用是检测非工作时间大棚内部是否有人存在，工作时间其不工作，程序确定其反馈条件----不工作，正常，有人。
工作时间不工作，非工作时间有人存在就驱动报警模块。
起作用是保证在非工作时间大棚内部有人存在即报警，其余情况不报警，反馈回去这些处理的代码。
2.3.1.2反馈调节程序设计
1）恒温控制模块控制程序
该程序的作用是读取数据采集程序方案给出异常代码。
对代码进行分析，处理，得到对应的异常信息，按照程序设定的方案，让恒温控制模块做出不同的动作。
2）补水模块控制程序
对代码进行分析，处理，得到对应的异常信息，按照程序设定的方案，让补水模块做出不同的动作。
3）显示模块驱动程序
该程序的作用是读取数据采集程序方案中采集到的各项数据，交由显示屏进行显示，方便使用者了解大棚内的环境状况。
4）报警模块驱动程序
对代码进行分析，处理，得到对应的异常信息，按照程序设定的方案，让不同的蜂鸣器和指示灯闪烁，通知使用者大棚内部的异常情况。
2.3.1.3太阳能随动模块程序设计
该程序的作用是控制太阳能模块的重要程序，其作用是将光敏传感器采集到的光照强度数据进行分析，处理，计算出当前光照最强点，然后驱动电机，将太阳能发电板转到光照最强点，已得到最强发电量。
2.3.1.4时间控制程序设计
利用定时器和振荡器产生标准的1/20S的时间间隔，得到万年历表，按照一日24小时制确定大棚的工作制度，在规定的时间内做程序设定好的事情：
2.3.2上位机程序的设计
上位机程序的设计在本设计中主要起到人机交互的作用[8]，将下位机的信息传输到上位机界面中，进行显示。
同时，上位机会发出制定的指令，对下位机进行一定程序的控制。
因此，上位机程序的设计也是十分重要的。
因此，上位机程序的设计包括：
界面程序的设计、通信程序的设计、数据发送程序的设计、数据接受程序的设计、界面友好程序的设计。
其中界面友好程序应该体现在界面程序的设计、通信程序的设计、数据发送程序的设计、数据接受程序的设计之中，因此，界面友好程序的设计不在这里提出详细要求。
2.3.2.1界面程序的设计
界面程序的设计在本设计中直接体现我本设计的使用感观，因此，它的设计及实现必须是符合人机友好要求的。
在界面的设计中，应该包括以下区域：
通信建立区、测量数据显示区、硬件检测显示区、控制区、其他5类构成。
1）通信建立区
该区域的主要功能是保证上位机成功的与下位机建立通信，它是上位机与下位机进行数据交互的基础，也是必备条件。
该区域应该包括如下内容：
A）COM口选择
B）通信按钮
C）COM状态显示
D）信息提示
2）测量数据区
该区域的主要功能是显示从下位机中得到的测量数据，它是上位机最核心的功能，但是上位机工作的基础之一。
该区域中应该包括：
A）采集数据名
B）采集数据值
C）采集数据标准值
3）硬件检测区
该区域的主要功能是反映下位机中各个外设的工作状态，它是最下位机工作状态监控的核心之一。
A）外部设备名
B）外部设备状态
4）控制区
该区域的主要功能是提供给用户进行操作的，它是用户在界面唯一可以操作的地方。
A）获取数据
B）处理数据
C）保存数据
D）设置标准参数
E）退出
5）其他
该区域的主要功能是显示上位机的信息，它是为了更好的使用上位机的外围。
该区域应该包括：
A）设备名
B）设计人员的信息
C）设计人员的联系方式
2.3.2.2通信程序的设计
通信程序的设计是为了建立上位机和下位机的通信，在建立好通信之后进行数据交互的一个基础。
在该设计中应该应该包括下述信息：
A）COM口选择
B）通信建立
C）ERROR通知及提示
2.3.2.3数据发送程序的设计
数据发送程序的设计主要是将上位机的指令发送到下位机中。
以便下位机做出不同的选择。
该设计中应该包括：
A）指令的设计
B）指令的发送
C）控制按钮
2.3.2.4数据接受程序的设计
数据接受程序的设计主要是将下位机的数据上传到上位机位机中。
供上位机进行不同的显示和其他动作。
D）数据的接受
E）数据的处理
F）控制按钮
2.3.3传输协议的设计
传输协议的设计是上位机，下位机、数据库三者进行数据传输的一个约定，约定本设计的所有信息的封装、拆解、传输、储存都应该遵循本协议。
同时本设计的数据特点是实时采集，异常储存。
根据这些特点，参考ModBus传输协议，设计出本设计的传输协议的要求。
此协议传输的信息中，应该具有如下信息：
温室编号、数据设备型号、数据设备编号、数据大小、数据单位，年月日，时分秒。
同时本协议在设计过程中应该考虑如下因素：
1）所有的信息的处理过程都必须遵循此协议所包含的全部要素；
2）每个要素应该具备一点的容量，能够包扩设备的全部数据；
3）应该具有一定可以扩展性。
2.3.4数据库的设计
本设计的数据库承担的作用是，在上位机的要求下，存储上位机要求存储的各项数据，按要求将数据库的数据下载到上位机中。
同时以便进行远程访问和进行大数据分析，给后续开发和修复提供一定的数据依据。
在数据库的设计中应该包括下述表格：
用户表、标准参数表、异常参数表。
同时在设计过程中应该制定某一参数作为主键，进行表连接。
2.3.4.1用户表
用户表的作用是：
用户登录时查询此表，确认用户的权限，下载对应用户的数据表格。
2.3.4.2标准参数表
标准参数表的作用是：
存储温室大棚内部环境参数的正常值，供上位机进行下载。
2.3.4.3异常参数表
异常参数表的作用是：
存储温室大棚内部的异常数据（遵循传输协议的存储规则），在上位机要求的时候进行存储，并且提供给远程进行数据查询。
本设计软件架构图如图3所示：
图3软件架构图
第三章系统硬件设计
在硬件功能实现的设计中，遵循本文2.2提出的设计要求，进行元器件的选择，外围电路的设计。
3.1主控芯片模块的实现
该模块的设计要点为：
3.1.1主控芯片的选择
在基于本设计的要求的基础上，选择3种主控芯片作为备选方案：
STC90C51、IAP15F2k61S2、ARM7
3.1.1.1STC90C51介绍
51系列单片机作为庞大的单片机家族中的重要组成部分，而其中STC90C51是该家族中的新贵，51系列作为被使用最为广泛的一款单片机型号，其拥有10多年的优秀使用历史，它具有下述特点：
1）51系列单片机拥有8位CPU·
4kbytes程序存储器（ROM）
2）51系列单片机拥有128bytes的数据存储器（RAM）
3）51系列单片机拥有4组，每组8个I/O接口线，也就是4个并行的P口，每组P口既可以作为输出使用，同时也可以作为输入使用。
4）51系列单片机共计拥有多大111条的指令，其中的绝大大部分的指令为单字节指令，使用21个专用寄存器以及2个可以编程定时/计数器（内部中断计数使用）·
5）51系列单片机拥有5个中断源，2个优先级
6）所有51系列单片机拥有一个全双工串行通信口，其外部数据存储器寻址空间为64kB；
7）51系列单片机进行双列直插40DIP封装，共计40引脚
8）所有51系列单片机军使用1组+5V直流电源供电；
9）51系列单片机的CPU是由运算和控制逻辑组成，同时也包括各种功能的中断系统以及部分功能特殊的外部寄存器；
10）51系列单片机的RAM可以用来用以存放可以读写的数据，比如单片机运算的中间处理结果和最终结果以及将要显示的数据；
11）51系列单片机的ROM可以用以存放程序、一些原始数据、表格等内容。
12）所有51系列单片机都拥有一个全双工的串行I/O口，用于进行单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；
而STC90C51是宏晶公司推出的一款新的51单片机，该芯片是以往51系列芯片的升级版，在以往51的基础之上，不仅STC90C51提高了自身的加密算法，还增加了EEPROM模块，同时已经支持掉电存储数据，剩余的其他功能均得到了不同程序的加强。
3.1.1.2TAP15F2k61S2介绍
15系列单片机是单片机家族中的新贵，属于近年来才推出的一款芯片。
其主要特点是：
1）15系列单片机支持在系统可以编程/在应用可以编程，
2）15系列单片机不需要专门需编程器，
3）15系列单片机不需要专门仿真器，因为15系列单片机不仅可以作为微处理器，同时可以当仿真器使用.
4）15系列单片机使用增强型8051CPU，该CPU处理速度速度比普通8051快8-12倍
5）15系列单片机拥有61K字节的片内Flash程序存储器，可以擦写次数在10万次以上
6）15系列单片机拥有片内大容量,共计2048字节的SRAM
7）15系列单片机拥有大容量片内EEPROM，其可以擦写次数同样在10万次数以上
8）15系列单片机共计拥有8通道10位高速ADC，
9）15系列单片机不仅运行速度可以达30万次/秒，并且15系列单片机的3路PWM产生引脚，还可以当3路D/
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