温室监控无线传感器节点设计

目录摘要..................................,........................................................................................IAbstract...........................................................................................................................II第一章绪论.....................................................................................................................11.1论文研究背景与意义。.。....……。.。.........……，。二。。·，··························，················……11.2国内温室控制技术现状及发展趋势.................................................................21.2.1国外温室控制技术发展..........................................................................21.2.2国内温室控制技术发展..........................................................................21.2.3温室环境测控技术的发展趋势..............................................................31.3温室环境智能控制算法....................................................................................41.4无线传感器网络的农业应用............................................................................61.5论文的主要工作................................................................................................7第二章系统总体设计与分析..........................................................................................92.1系统控制对象分析............................................................................................92.1.1温度对作物生长的影响..........................................................................92.1.2湿度对作物生长的影响..........................................................................92.1.3温度和湿度藕合关系的理论分析........................................................102.2温室热环境模型建立....................……‘...................··································……102.2.1温室传热示意图...................................................................................112.2.z热平衡方程的建立.............……。.....................................................……112.3系统控制策略............................................................................................……162.3.1潜热交换分析.....................……。...............······································……162.3.2本文提出的温室环境控制方案............................................................162.4系统总体控制方案..........................................................................................172.4.1系统总体设计.......................................................................................172.4.2无线传感器网络布置...........................................................................182.5本章小结.........................................................................................................21第三章系统硬件...........................................................................................................223.1主控制模块.....................................................................................................223.1.1微处理器...............................................................................................22I第一章绪论论文研究背景与意义农业是国民经济的基础，设施农业是采用一定设施和工程技术手段，按照动植物生长发育要求，通过在局部范围改善或创造环境气象因素，为动植物生长发育提供良好的环境条件，从而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖进行有效生产的农业fll，它是获得高产量，优质量农产品的新型生产方式，随着广大农民的物质文化生活水平的不断提高，发展设施农业势在必行。设施农业生产设施种类很多，温床、日光温室、塑料拱棚和塑料大棚、连栋温室，植物工厂等，近几年我们所说的设施农业是指以温室为主要设施的农业生产方式[fzl。世界设施农业发展速度较快，形成了成套的技术、完整的设施设备，并逐步向自动化、智能化、网络化和无线化的方向发展【3,4]0我国设施农业发展历史悠久，其结构有简单到复杂，机械设施由单一到综合，管理由粗放到集约。此外，我国科研人员不断引进国外先进技术同我国实际情况相结合，大力推动了我国设施农业的发展且取得许多科技创新的成果，如现代工厂化农业设施的建设，种苗技术创新，少部分设施环境综合调控技术达到国际先进水平等等。当然我国设施农业建设也存在很多不足[[5,6]:科技含量低、管理水平低、机械化程度低，温室生态环境恶化等。此外，无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，简称WSN)是近年来迅速发展和倍受重视的新型网络技术，由于其活动性强，扩展方便，在学术界和工农业领域都受到高度关注。在传统农业中，人们测量农田信息主要通过人工测量的方法，这种方法不仅信息误差偏大，而且耗费人力。随着设施农业的发展，把无线传感器网络技术应用于农业不仅可以有效的降低人力消耗，获取精确的作物信息。还解决了温室内因大量布线而导致安装困难的问题。所以，将无线传感器网络应用于农业领域可以带来巨大的社会经济效益。鉴于上述，为提高我国设施农业技术的科技水平，弥补我国设施农业存在的不足，把无线传感器网络技术引入到温室生产中，使以ARM为核心的32位高性能处理器与无线传感器网络相结合，通过模糊PID控制算法对温室内温湿度值进行调控，给温室作物创造出良好的生长环境，对大幅度提高温室作物的单位面积产量和资源产出率，具有重要的现实意义。1.2国内温室控制技术现状及发展趋势温室环境控制技术决定现代温室优劣的重要因数之一，它随着自动检测技术、过程控制技术、通讯技术、计算机技术的发展而发展起来的。温室通过无线传感器网络将温室有关的环境参数的数值(温度、湿度、光照等)采集到计算机并按一定的控制规则驱动执行机构(如天窗、风机、湿帘等)，以达到人工控制温室环境的目的。1.2.i国外温室控制技术发展在温室技术上，荷兰、美国、以色列处于国际领先地位。荷兰是设施农业最发达的国家，从20世纪80年起就全面开发温室自动控制技术，并研发了形形色色的控制软件。至2009年底，荷兰拥有温室约为1.47万}z，其中使用计算机进行栽培的约占85%}}}。美国针对温室内光照、温度、湿度等的特点，研发了计算机温室管理系统，利用其对温室进行自动调控。此外，美国还研发了全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产。以色列由于其干旱的沙漠气候，首先对水系统进行研究，其应用于温室的节水灌溉技术已经达到国际先进水平。通过安装传感器安装于作物附近用来检测水、肥的状况，利用中心计算机对田间的控制器进行遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到80%^'90%}g'9}o1.2.2国内温室控制技术发展我国对温室技术的研究开始于20世纪70年代起，研究人员吸收国外的先进技术并与我国国情相结合，对温室控制技术不断地创新。80年起，计算机就开始应用于我国温室控制领域。90年代初期，温室控制与管理系统在中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所被研发，并研发了其控制软件。90年代中期，江苏理工大学毛罕平等研制开发了温室软硬件控制系统，能对温室内温度、湿度等环境因子进行自动调控，是国内温室控制系统的经典之作【ion0“九五”期间，为了提高计算机在温室中应用的利用率，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均增设了设施农业研究项目，其中“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题直接在国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中被设置。“十五”期间，我国启动了“温室环境智能控制关键技术研究与开发”课题【11]。此外，国家“863”计划包含温室自动控制系统，信息采集系统等。我国温室控制技术虽然发展历史悠久，并也创造出很多科技成果，但由于我国国土辽阔，地区贫富差异不均，导致大部分温室仍然靠人工手动管理。这不仅使在生产中误差量较大，而且产出率低，影响经济效应。可见发展设施农业是提高我国农业经济的基础，大力发展温室控制技术是提高设施农业的关键之一。1.2.3温室环境测控技术的发展趋势“工业一科技一信息”是当今世界先进工业国家的转变趋势。现代温室自动化发展的目标是“以高新技术为核心，以信息电子化为手段，提高工农业产品附加值”[12]0当今温室应用的自动化控制系统正向着分布式、网络化、智能化、无线通讯化的方向发展。(1)分布式分布式系统是建立在网络之上的软件系统。正是因为软件的