现代温室大棚智能设计

兰州交通大学创新性实验现代温室大棚智能设计控制系统设计报告项目编号：指导教师：组员：兰州交通大学创新性实验摘要本设计从使用简单、调整方便和功能完备出发，采用LPC1114处理器，开发了全程菜单操作环境，以LCD12864液晶显示，采用UAN-480射频无线传输数据。具有全中文提示和参数显示设置，4×4行列式键盘输入，采用了DS18B20温度传感器、DHT11湿度传感器和MG811二氧化碳传感器，实现对温室大棚的检测。具有DS1302实时时钟显示，人工设定温室大棚环境条件，当温室大棚环境发生改变时，系统自动记录检测数据，通过GSM模块实现短消息报警，并自动控制风机和除湿机工作，进行温室大棚的降温和除湿，及植物浸水检测。配备无线烟感、无线门禁和水浸检测器输入，增强了仓库防火防盗的能力，与移动网络的结合实现无人值守。关键词：LPC1114；LCD液晶；GSM；UAN-480AbstractThisdesignfromthesimpletouse,easytoadjustandcompletefunctions,adoptingLPC1114processor,developedafullmenuoperatingenvironmenttoLCD12864liquidcrystaldisplay,afullChinesedisplaypromptsandparametersset,4×4determinantkeyboardinput,usingtheDS18B20temperaturesensor,DHT11humiditysensorsandMG811carbondioxidesensortorealizethedetectionstorageenvironment.WiththeDS1302realtimeclockdisplay,manualsettingswarehousestorageenvironmentalconditions,whenthestorageenvironmentchanges,thesystemautomaticallyrecordstestdata,throughtheGSMmoduleforSMSalarm,andautomaticcontroloffansanddehumidifierswork,thegraindepotsinthecoolinganddehumidification.Equippedwithawirelesssmokedetector,flooddetector,wirelessaccessandinput,andenhancethewarehousefire,waterandsecuritycapacity,andthecombinationofmobilenetworkstoachieveunattended.Keywords:LPC1114;LCD;GSM;Wirelessinpu目录第1章绪论 11.1研究背景和意义 11.2温室大棚植物生长的条件 1第2章系统论证 32.1系统结构概述 32.2系统实现 4第3章功能与指标 53.1系统功能 53.2指标 6第4章硬件框图 84.1硬件构成 84.2各模块简介 84.2.1中央处理器使用模块 84.2.2电源模块 94.2.3LCD12864液晶显示模块 104.2.4温湿度模块 114.2.5二氧化碳检测模块 124.2.6键盘与指示灯模块 124.2.7UAN-480S射频芯片 134.2.8烟感与门禁模块 144.2.9水浸检测电路 164.2.10GSM模块 164.2.11执行模块 17第5章软件流程 185.1系统软件设计思想 185.2系统流程 18第6章系统测试 256.1测试方案 256.2测试设备 266.3测试结果 266.4结果分析 27第7章实现功能 28第8章特色 29参考文献 30附录 31第1章绪论1.1研究背景和意义民以食为天，蔬菜是人类生存的必需品。我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。无无线技术的对该该项的应用。之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。蔬菜含有大量的维生素，是人活得必须品。

蔬菜是人们生活中必不可少的食物之一。但是，对于蔬菜的营养价值，有些人却了解得不甚清楚。蔬菜的营养不可低估众所周知，蔬菜可提供人体所必需的多种维生素和矿物质，1990年国际粮农组织统计人体必需的维生素C的90％、维生素A的60％来自蔬菜，可见蔬菜对人类健康的贡献。此外，蔬菜中还有多种多样的植物化学物质是人们公认的对健康有效的成分，如：类胡萝卜素、二丙烯化合物、甲基硫化合物等。目前果蔬中的营养素可以有效预防慢性、退行性疾病的多种物质正在被人们研究发现。所以温室大棚的研究有着十分重要的意义。1.2温室大棚植物生长的条件温室大棚环境条件是指对植物生长所需温度、湿度、二氧化碳及植物生长所需水分。1.温度与植物生长的关系植物只有在一定的温度范围内才能够生长。温度对生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，还可以直接影响土温、气温，通过影响水肥的吸收和输导来影响植物的生长。由于参与代谢活动的酶的活性在不同温度下有不同的表现，所以温度对植物生长的影响也具有最低、最适和最高温度三基点。植物只能在最低温度与最高温度范围内生长。虽然生长的最适温度，就是指生长最快的温度，但这并不是植物生长最健壮的温度。2．湿度与植物生长的关系生长的最适温度，就是指生长最快的温度，但这并不是植物生长最健壮的温度。因为在最适温度下，植物体内的有机物消耗过多，植株反倒长得细长柔弱。因此在生产实践上培育健壮植株，常常要求低于最适温度的温度，这个温度称协调的最适温度。3．二氧化碳与温室大棚植物生长关系光合作用CO2是必需物质。光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢,一切生物的生命活动都直接或间接地依赖于光合作用制造的有机物和固定的太阳能。呼吸作用分需要氧气参加的有氧呼吸和无需氧气参加的无氧呼吸。无氧呼吸可生成酒精（如果实存久了会有酒味）或乳酸（如玉米胚），有氧呼吸生成的是CO2和H2O，二者都能释放能量。植物的光合作用为呼吸作用提供了物质基础，呼吸作用为光合作用提供了能量和原料，它们二者是相互对立、相互依存、互为条件的两个过程，共处于一个统一体中，没有光合作用合成的有机物，就不可能有呼吸作用与氧反应被分解的有机物，没有光合作用释放出的O2，空气中也不可能有持续足够供给生物呼吸的O2，如果没有呼吸作用释放的能量，光合作用也无法进行，且呼吸作用释放的CO2也是光合作用的原料之一。4．浸水与温室大棚的关系植物对与水分在植物生长的不同阶段有着不同的需求，如番茄和辣椒在育苗期需足够的水分来对植物进行补充，而到结果以后就需少量的水分如果水分过大会导致结果以后果实腐烂所以水分的多少对植物生长有至关重要的作用，不容忽视。5．防火、防盗与温室大棚的关系冬季本身是火灾高发季节，每年全国各地冬季火灾而遭受巨大损失。温室大棚管理和其他物品安全存在隐患，因此为了安全保管仓库个各物品，系统还添加了门禁检测。

第2章系统论证2.1系统结构概述我国幅员辽阔，候环境变化很大，蔬菜的使用量相当大，所以温室大棚的建设十分必要，适用范围广的温室大棚智能控制系统。本系统以ARM7为核心处理器，通过DS18B20数字温度传感器、DHT11湿度传感器和MG811二氧化碳传感器实现对粮食仓库温度、湿度和CO2的实时监测，采用UAN-480射频无线传输数据。系统可以对温度、湿度和CO2进行提前设定，在温室大棚的环境发生变化超过警戒时，系统可以自动记录监测的数据与正常值进行比较分析，在发现问题时通过GSM实现短消息报警，及时通知工作人员，同时系统会自动启动空调来调节环境中的温度。对于温室大棚植物防浸水和防盗是必须的，所以本系统在粮情监测的基础上增加了无线烟雾传感器、水浸检测器和无线门禁。当仓库出现险情时，相应的传感器系统构成框图如图2-1所示。LPC1114LPC1114处理器4X4键盘GSM模块警笛报警风扇UAN-480射频接收温湿度数据CO2采集PT2272接收烟感信号门禁信号水浸信号图2-1系统构成框图2.2系统实现系统从数据采集到数据显示和处理，借助移动通信终端，实现对温室大棚环境的检测报警，实用方便，减少了传统手动检测的工作量，增强了检测的准确性。系统实现原理图如图2-2所示。数据采集射频发送数据采集射频发送射频接收LPC1114处理器显示执行模块GSM模块图2-2系统实现框图

第3章功能与指标3.1系统功能1.GSM模块：GSM900：上行（MHz）890-915；下行（MHz）935-960。模块供电电压：5-12V。各种报警信息以短心消息经过处理器处理后，处理器控制GSM将信息发送至手机终端。2.UAN-480：主要解决采集传输距离问题，采集远端的各种基本参数，如温度、湿度等。采集后由模块透传到主处理器接收端，然后将数据送给主处理器。3.温度模块：(1)键盘可设置温度上、下限值，采用DS18B20采集温度。(2)如果温度超过设置上限温度，温度过高。降温设备工作，风扇打开。(3)如果温度超过设置下限温度，温度过低。升温温设备工作，打开日光灯（实验模拟设备）。(4)如果温度超过设定上、下限值。系统报警系统启动，GSM将报警信息发送至个人用户终端（手机）。系统报警喇叭报警。4．湿度模块：(1)键盘可设置温度上、下限值，采用DHT11采集湿度。(2)如果湿度超过设置上限湿度，湿度过高。降湿设备工作，风扇打开。(3)如果湿度超过设定上限值。系统报警系统启动，GSM将报警信息发送至个人用户终端（手机）。系统报警喇叭报警。5．二氧化碳模块：(1)键盘可设置二氧化碳上限值，采用MG811采集二氧化碳。(2)如果二氧化碳超过设置上限二氧化碳，二氧化碳过高，会引起人员安全问题。降二氧化碳浓度设备工作，风扇打开，进行通风。(3)如果二氧化碳超过设定上限值。系统报警系统启动，GSM将报警信息发送至个人用户终端（手机）。系统报警喇叭报警。6．无线浸水检测模块：植物对与水分在植物生长的不同阶段有着不同的需求，如番茄和辣椒在育苗期需足够的水分来对植物进行补充，而到结果以后就需少量的水分如果水分过大会导致结果以后果实腐烂所以水分的多少对植物生长有至关重要的作用，不容忽视。7．无线烟雾检测模块：无线烟雾传感器采集烟雾是否超过临界值。采用无线PT2272接受芯片。如果超过表明有火灾发生，传感器将信息发送给中央处理器。处理器经过处理，通过GSM将火灾信息发送至手机终端。喜用喷水继电器打开。8．无线门禁检测：无线门禁检测器检测门是否被打开。采用无线PT2272接受芯片。如果门被打开，检测器将信息发送至中央处理器，经过数据分析处理，通过GSM将信息发送至手机终端。9．参数设定及显示。(1)采用4×4键盘，对温度、湿度和二氧化碳上下限设置。(2)键值设置和传感器检测数据、系统状态及数据处理结果在12864中文液晶上显示。3.2指标1．电源：3.3~18V。2．工作电流：静态监控：〈=18mA报警：〈=10mA。3．温度传感器：数字式温度传感器DS18B20。工作温度范围-55-125C。采集精度0.01%。工作电压：5±0.1V。本系统中温度工作范围-10-40C。4．湿度传感器：数字式湿度传感器DHT111。工作湿度范围：20%～90%。采集精度0.01%。工作电压：5±0.1V。本系统中温度工作范围60%～90%。5．二氧化碳传感器：模拟传感器。工作范围：300-10000mmp.采集精确度5%。工作电压：6±0.1V。本系统中温度工作范围300-4000mmp。该系统二氧化碳范围：1000～4000mmp。6.UAN-480：中心工作频段，实际工作频率为472-486MHz；可供通信信道为116个。工作电压：5±0.25V。采用波特率为9600，传输距离为1200m。7．GSM延迟发送时间2-3秒。8．无线门禁检测：工作电压:DC5V±0.2V；工作频率:315MHz/433.92MHz；调制方式:ASK/OOK；调制速率:2Kbit/s；工作灵敏度:-100dBm；解码芯片:2272。9．无线烟感检测：工作电压:DC5V±0.2V；工作频率:315MHz/433.92MHz；调制方式:ASK/OOK；调制速率:2Kbit/s；工作灵敏度:-100dBm；解码芯片:2272。10．无线浸水检测：工作电压:DC5V±0.2V；工作频率:315MHz/433.92MHz；调制方式:ASK/OOK；调制速率:2Kbit/s；工作灵敏度:-100dBm；解码芯片:2272。注：各个无线设备地址码的原则：不同的模块依靠不同的地址码加以区分。以提高个模块之间的抗干扰。

第4章硬件框图4.1硬件构成硬件构成框图如图4-1所示。图4-1硬件构成图4.2各模块简介4.2.1中央处理器使用模块图4-2LPC1114最小系统模块实物图在本比赛中对LPC1114的使用发现该处理器编译环境简单明了。处理器工作稳定。存储单元：32kB（LPC1114）、24kB（LPC1113）、16kB（LPC1112）或8kB电源控制集成的PMU（PowerManagementUnit）在睡眠、深度睡眠和深度（LPC1111）的片内Flash程序存储器；高达8kB的静态RAM；通过片内Bootloader软件来实现在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP）；串行调试；串行接口：UART：可产生小数波特率，带有内部FIFO，支持RS-485/EIA-485，有moderm控制；2个SPI接口，SSP控制器，具有FIFO和多协议功能；I2C总线接口支持全部I2C总线规范和Fast-modePlus模式，数据速率高达1Mbit/s，具有多地址识别和监控模式；ADC模块：特性10位逐次逼近式模数转换器；在8个管脚间实现输入多路复用；掉电模式；测量范围：0~3.6V，不超出VDD(3V3)的电压；10位转换时间≥2.44μs；一个或多个输入的突发转换模式；可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换；每个A/D通道的独立结果寄存器减少了中断开销。4.2.2电源模块本系统电源模块才用了集成稳压芯片实现对系统供电，电路简单电压稳定。电压值从3.3V到12V满足系统各个模块的供电需求。电路图如图4-3所示。图4-3电源电路4.2.3LCD12864液晶显示模块LCD12864中文液晶显示界面大，显示效果好，完全符合系统全菜单显示的要求，运用多界面显示达到一定的人机交互效果。工作电压：4-5V。LCD12864与LPC1114接线电路如图4-4所示。图4-4LCD12864接线图4.2.4温湿度模块用DS18B20数字温度传感器，其主要优点是采用数字化技术，以数字形式输出被测温度值，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、能够远程传送数据、用户可设定温度上下限、自带串行接口等优点，适配各种微处理器。在设计中DS18B20直接与单片机I/O口连接，构成电路结构简单，使系统的成本大大降低DS18B20工作量程：-10-120C工作电压：5±0.1V精确度：0.5%图4-5DS18B20接线电路DHT11工作量程：20-90%RH工作电压：5±0.1V图4-6DHT11连接电路4.2.5二氧化碳检测模块MG811工作量程：300-10000mmp工作电压6±0.1V精确度：±5%图4-7MG811实物图CO2信号放大采用了差动放大电路，电路图如图4-8图4-8采用LM324的差动放大电路4.2.6键盘与指示灯模块键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。有关按键的识别、键码的确定与输入、去抖动等功能均由软件完成。目前微机系统中，一般为了降低成本大多数采用非编码键盘。

键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。键盘电路如图4-9所示。图4-9行列键盘电路4.2.7UAN-480S射频芯片工作电压:DC4.74V-5.52 V；微功率发射，最大发射功率20dBm(100mW)，可选17dBm(50mW)。ISM频段,无需申请频点。工作灵敏度:-100dBm；工作频率为472-486MHz；真正的窄带高速率技术；信号带宽12.5/25KHz，频谱使用效率高，抗干扰能力强，最高有效速率高达19200bps。高抗干扰能力和低误码率。基于GFSK或RC2FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10时，可得到实际误码率10~10。灵敏度高。1200bps的灵敏度为-122dBm，9600bps的灵敏度为-117dBm。传输距离远。视距情况下，天线放置位置>2m，1200bps最远可靠传输距离2000m，9600bps最远可靠传输距离1000m。透明的数据传输、多信道、双串口，3种接口方式、大的数据缓冲区、智能数据控制，用户无需编制多余的程序等。UAN-480S射频收发模块实物图如图4-10所示。图4-10UAN-4804.2.8烟感与门禁模块本系统考虑到烟感和门禁的安放位置，为了减少布线的麻烦采用了无线烟感和门禁。无线烟感工作电压:DC5V±0.2V；工作频率:315MHz/433.92MHz；调制方式:ASK/OOK；调制速率:2Kbit/s；工作灵敏度:-100dBm；解码芯片:2272；图4-11烟感实物图无线门禁工作电压:DC5V±0.2V；工作频率:315MHz/433.92MHz；调制方式:ASK/OOK；调制速率:2Kbit/s；工作灵敏度:-100dBm；解码芯片:2272；图4-12门禁实物接收电路设计：应用PT2272射频接收电路，电路简单，接收性能良好。接收电路如图4-13所示。图4-13用PT2272的无线接收电路图4.2.9水浸检测电路采用555定时器构成的单稳态触发器电路来控制继电器，实现仓库进水检测。电路图如图4-14所示。当有水进入仓库使555芯片的2引脚接通低电平，继电器打到高电平，向水浸检测电路输入高电平，检测电路光耦导通，将低电平输入到LPC1114处理器I/O口，实现水浸的检测。图4-14NE555水浸电路图4-15水浸检测电路4.2.10GSM模块GSM(全球移动通信系统GlobalSystemforMobilecommunication)是基于时分多址技术的移动通讯系统。目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信网的主要方式。很多通信设备厂家提供GSM模块，用户配备天线、串口、SIM卡座后构成GSM终端，直接作为串口设备与PC机或单片机连接，使用简便。采用AT指令实现短信发送读取编程简单实用。GSM实物图如图4-16所示。工作电压：5-12V工作方式：无线传输（频率900KHz）。图4-16基于TC35的GSM终端实物4.2.11执行模块如果温度、湿度、二氧化碳、烟感、水浸和门禁有报警，处理器会通过继电器打开相应的装置进行相应的执行动作。在温度过高时，主控器会发送信号，使继电器跳转打开风扇，来调节储藏室的温度，以达到通风降温的目的。继电器控制风扇电路如图4-7所示。图4-17采用光电隔离扇驱动电路图

第5章软件流程5.1系统软件设计思想系统启动，先初始化个个模块：有GSM握手连接、系统管教初始化、串口初始化、温度、湿度传感器初始化及液晶和DA1302初始化等。然后经键盘设置温度、湿度、二氧化碳初始上下限值。系统开始温度、湿度、二氧化碳数据读取和无线门禁传感、无线烟务传感、无线浸水检测。数据经处理器分析和处理，将处理结果显示于中文液晶显示器上。如果有报警信息，将由处理器控制GSM模块发送信息。系统打开执行机构和报警喇叭。5.2系统流程系统软件设计主要包括：主程序、系统初始化子程序、键盘处理子程序、数据采集子程序、数据处理执行子程序和消防报警子程序。主函数流程图如图5-1所示；系统初始化流程图如图5-2所示；键盘处理流程图如图5-3所示；数据采集流程图如图5-4所示；数据处理执行流程图如图5-5所示；消防报警流程图如图5-6所示。图5-1主函数流程图初始化程序：包括系统初始化和GSM无线模块以及各种传感器初始化。图5-2系统初始化流程图键盘扫描程序：图5-3键盘子程序流程图温度传感器采集程序：包括温度、湿度和二氧化碳数据采集。图5-4数据采集流程图数据处理程序：处理器对采集的温度、湿度、二氧化碳信息进行数据分析和处理，并进行相应的处理，并将处理结果通过GSM发送。图5-4数据执行流程图消防报警：处理器对烟雾检测、浸水检测、门禁检测信息处理和分析。并进行相应的处理。图5-5消防报警流程图

第6章系统测试6.1测试方案（1）启动系统，进入设置页面按下设置键进行温度、湿度、二氧化碳上下限值设置。图6-1系统设置（2）按下确认键进入数据采集，采集当前的温度、湿度、二氧化碳值以及仓库是否浸水、有人进入、火灾发生等信息。图6-2系统数据采集框图（3）数据经分析和处理后，将实际测得数据和系统采集数据进行比较，比较的方面有：传感器采集精度、GSM信息发送延时、无线传感器最远距离、无线干扰及显示处理结果。图6-3GSM短信报警如果有超过限的由处理器控制GSM进行信息发送。系统进行报警执行和鸣笛。6.2测试设备 测试设备及参数如表1所示：表1测试设备及参数表测试设备理论值实际值误差GSM接受延迟2s接受延迟2-3s±0.10%DS18B20理论测量范围-10-120C实际测量范围-10-100C±0.3%DHT11理论测量范围20-90RH实际测量范围20-90RH±0.4%MG811理论测量范围300-10000mmp实际测量范围330-9000mmp±5%无线烟感理论测量范围0-实际测量范围0-±2%无线浸水理论测量范围0-实际测量范围0-±2.5%无线门禁理论测量范围0-实际测量范围0-±1.7%NXPUAN-480最小系统流水灯测试距离测试9600波特时1200m流水灯正常运行实际距离1000m合格正常6.3测试结果 在系统可执行环境中，模拟仓库环境的基础上对系统进行了测试，LPC114最小系统、GSM终端、各类传感器和执行电路测试结果均符合系统要求。测试结果如表2所示：表2测试结果列表测试设备结果评价GSMUAN-480设备正常设备正常NXP最小系统设备正常DS18B20设备正常DHT11设备正常MG811设备正常无线烟感设备正常无线浸水设备正常无线门禁设备正常液晶显示设备正常4x4键盘设备正常6.4结果分析温度传感器准确度、精确度符合要求；系统能在低于或高于设定温度时自动打开执行设备。并将报警信息通过GSM发送到手机终端。湿度传感器准确度、精确度符合要求；系统能在低于或高于设定湿度时自动打开执行设备。并将报警信息通过GSM发送到手机终端。二氧化碳传感器准确度、精确度符合要求；