设施农业(大棚种植)远程监控系统设计 STM32+51单片机含pcb 上下位机源码原理图

摘要

1. 引言

2. 系统方案

3. 系统硬件设计

4. 系统软件设计

5. 系统创新

6. 评测与结论

7、实物图

8、原理图

9、程序

10、资料内容

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摘要

该系统将自动控制技术与设施农业相结合，采集温室的光照度、温度和湿度，同时实现上位机的存储和监控。该系统的应用可以节省大量的劳动力，提高蔬菜的品质，增加产量，节约水肥，形成生态友好型的棚膜经济，不仅对我省乃至整个东北寒区的温室蔬菜生产都具有重要的意义。

1. 引言

近年来，温室蔬菜种植的规模在我国北方发展十分迅速，成为城市居民菜篮的主要途径，也是农户增产创收的捷径之一。然而温室大棚普遍存在着自动化水平较低、人力消耗大以及水肥资源浪费严重等诸多问题。针对上述问题，本团队设计了北方温室蔬菜设施环境远程监控系统。该系统采用STM32F407探索板作为主控制器，布置在大棚内部的传感器可实时检测室内温度、湿度、光照强度，同时单片机还将通过光敏传感器检测室外光照强度以控制大棚外卷帘机卷起或放下保温层，不仅如此，本系统中还加入了上位机控制系统，用户足不出户就能监视并控制大棚内部的情况，一定程度上的实现了农业生产的自动化，使农作物始终生长在适宜的环境中，不但解放了人力，节约了资源，同时还能提高作物的经济效益，为农户增产增收。

2. 系统方案

本团队的作品针对我国北方农村温室大棚运行现状，对目前的温室大棚产品进行了深入的调查与研究，设计出一套切实可行的智能温室远程控制系统。本系统可以实现对温室大棚室内部环境因素的实时监测，同时用户还可以通过远程群控系统实时监控多个温室大棚内的情况，操作方便快捷。

3. 系统硬件设计

本作品中，系统由五个单片机系统组成的，其中51系列的单片机四个，STM32F407单片机一个，各个子系统之间通过NRF24L01无线模块进行通信，如下图所示：

主控制板主要由STM32F407探索板、无线通信模块以及USB转串口模块组成。主控制板负责对两个大棚传递上来的信息进行处理，打包之后发送给上位机，同时还负责将上位机下达的指令传递给两个大棚。

大棚控制板主要由STC12C5A60S2单片机、12864LCD显示、光耦隔离、继电器、无线通信模块组成。大棚控制板负责控制大棚内部装置以及转发大棚采集板采集上来的数据，一旦收到主控制板发送的信号，大棚控制板将对相应的装置进行控制。

大棚采集板主要由STC12C4052AD单片机、光照强度传感器、土壤湿度传感器、空气温湿度、无线通信模块以及供电电池组成。大棚采集板负责采集大棚内部的各项数据，之后发送给大棚控制板。

4. 系统软件设计

系统软件主要由四个部分组成，分别是上位机软件、主控制板、大棚控制板和大棚采集板。

上位机软件使用微软公司的Visual Basic语言编写。上位机界面通过USB转串口模块与主控制板进行通信，以获取两个大棚内部的环境数据和对大棚内部设施进行控制，同时上位机软件还可以将环境数据保存到数据库中，以便日后的查询。

主控制板在Keil MDK环境下开发，所用语言为C语言。在程序中使用了ST的库函数，使得开发思路更加的流畅。当主控制板接收到大棚控制板发送上来的信号时，首先通过读取无线模块内部寄存器的值判断是哪个大棚发送上来的信号。

由于在无线通信模块中，不同模块之间是由通道地址来进行区分的，所以在要通过不同的接收通道地址来实现多通道接收，当接收到大棚控制板发送上来的数据时，主控制板读取无线模块中的通道标志位来判断是哪个大棚发送的数据。同理当主控制板收到上位机发送下来的控制信号时，也先判断是控制哪个大棚的信号，然后加载不同的发送地址，以发送给指定的大棚。

大棚控制板和大棚采集板也是在Keil开发环境下使用C语言进行编程的。

大棚采集板的程序比较简单，只有重复采集传感器参数和将数据发送出去这两项工作。

在大棚控制板的程序中，包括液晶显示、按键扫描、继电器控制、数据接收以及数据发送。大棚控制板将采集板发送过来的数据，通过无线传送到主控制器中，同时还接收主控制器发送下来的控制信号。

5. 系统创新

系统的创新之处有以下几个方面：

系统使用无线通信模块组成小型局域网，无需现场布线，安装方便；
上位机软件使用简单、方便，实时性好；
数据可以保存在数据库中，供日后的查询和调用；

6. 评测与结论

系统测试采取人工测试方式，主要包括：系统运行的可靠性测试、无线数据传输可靠性测试、大棚控制板继电器开关测试、大棚采集板电池使用时间测试等。

测试结果如下表所示：

测试的项目	达到的指标
系统运行的可靠性测试	整套系统连续运行48小时无异常
无线数据传输正确率测试	传输距离<5米传输正确率100% 传输距离<10米传输正确率90% 传输距离<20米传输正确率60%
大棚控制板继电器开关测试	继电器连续开关动作1小时无异常
大棚采集板电池使用时间测试	在电池供电情况下采集板连续工作7天无异常

7、实物图

8、原理图

大棚采集板硬件图原理图：

大棚丛机下位机pcb图：

大棚控制板硬件图原理图：

大鹏丛机下位机pcb图：

9、程序

主控制板源码的主程序

#include "main.h"u8 flag,j,ii,tf,temp;
u8 TxBuf[13]={0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x00,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa};
u8 RxBuf0[13];
u8 RxBuf1[13]={50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50,50};
u8 RxBuf[26];
u8 RX0_flag=0,RX1_flag=0;int main(void)
{NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);        //中断向量配置LED_Init();                        //初始化LED               COM3Init(9600);                //串口3初始MY_SPI_Init();if(NRF24L01_Check()){GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_14);}else{GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_13);        }        NRF24L01_Init();NRF24L01_TxPacket(TxBuf);NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG_NRF+STATUS,0XFF);tf=0;while(1){if(flag)                                //如果PC给它发了指令，则往下发送{USART_Cmd(USART3, DISABLE);        //关串口NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG_NRF+CONFIG, 0x0e);//配置为发送for(ii=0;ii<7;ii++){temp=(j&0x80);j=(j<<1);if(temp)TxBuf[ii]=0xf0;else TxBuf[ii]=0x0f;                                       }NRF24L01_TX_Mode(TxBuf[5]);NRF24L01_TxPacket(TxBuf);NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG_NRF+STATUS,0XFF);delay_ms(10);NRF24L01_Init();//当发送完毕后，重新把通道0配置为1号大棚，通道1为2号大棚flag=0;USART_Cmd(USART3, ENABLE);}NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG_NRF+CONFIG, 0x0f);tf=NRF24L01_switch();                                //判断通道switch (tf){case 0: NRF24L01_RxPacket(RxBuf0);        //0通道为一号大棚RX0_flag=1;break;case 1: NRF24L01_RxPacket(RxBuf1);        //1通道为二号大棚RX1_flag=1;break;                                                         }if(RX0_flag|RX1_flag){for(ii=0;ii<13;ii++)RxBuf[ii]=RxBuf0[ii];for(ii=13;ii<26;ii++)RxBuf[ii]=RxBuf1[ii-13];for(ii=0;ii<26;ii++){USART_SendData(USART3,RxBuf[ii]);while(!USART_GetFlagStatus(USART3,USART_FLAG_TC));USART_ClearFlag(USART3,USART_FLAG_TC);}RX0_flag=0;RX1_flag=0;               }
//                 GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_15);
//                 delay_ms(300);
//                 GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_15);
//                 delay_ms(300);}               }

大棚采集板源码

#include"display.h"uchar xdata data_txt[64]={"光照强度：12.3% 空气湿度：78.9% 土壤湿度：45.6% 空气温度:+ab.c  "};
//汉字数组字符指示               0123456789abcdef0123456789abcdef0123456789abcdef0123456789abcdef
uchar xdata set_txt[64]={"泵：关  风扇；关卷帘上：关      电磁阀：关      卷帘下：关      "};
//汉字数组字符指示              0123456789abcdef0123456789abcdef0123456789abcdef0123456789abcdefuchar xdata txt_set3[4]={"开关"};void display_data(void)                //显示数据界面
{uchar i;if(display_flag)                //每次切换界面显示一次界面{        lcd_com(0x80);for(i=0;i<64;i++) lcd_dat(data_txt[i]);display_flag=0;}lcd_three_date(0x85,RX_CJ,0);        //根据收到的数据显示lcd_three_date(0x8d,RX_CJ,6);lcd_three_date(0x95,RX_CJ,3);lcd_com(0x9c);lcd_dat(':');lcd_dat(RX_CJ[9]);lcd_three_date(0x9d,RX_CJ,10);
}void display_set(void)                //显示设置界面
{uchar j;if(display_flag)            //每次切换界面显示一次界面{lcd_com(0x80);for(j=0;j<64;j++) lcd_dat(set_txt[j]);display_flag=0;}lcd_com(0x0c);display_flash(0x82,water_pump);display_flash(0x87,feng_shan);display_flash(0x94,water_button);display_flash(0x8c,!juan_up);display_flash(0x9c,!juan_down);if(s_flag){
//                lcd_com(0x0e);                //开光标set_home();delay_ms(100);if(ok_flag){set_ok_key();ok_flag=0;}        }}//*****************设置界面-开关量显示子函数******************
void display_boole(uchar b)
{lcd_dat(txt_set3[b]);lcd_dat(txt_set3[b+1]);
}void display_flash(uchar add,bit b)
{lcd_com(add);if(b){display_boole(2);               }else{               display_boole(0);}        
}

大棚主机板一号丛机的部分源码：

#include"12864.h"///显示物理量需要一个带二维参数的函数，一维节点号，一维物理量序号
/*需要读取的数组是：iic-------iic_12_out[12]---读取历史数据用---由函数iic_read_ndate()得到ds13------get_ds13_date[7]-显示时间用-------由函数get_ds13_time()得到12864-----lcd_date[4][9]---3个节点36个物理量的仓库
*/
//********************大棚上电首页************************
uchar xdata txt_1[64]={"欢迎使用本系统：长春工程学院    版本号:401.5.1.1      401 工作室"};
uchar xdata txt_2[64]={"大棚主机控制板  及开关量控制界面包括显示界面                    "};
//汉字数组字符指示            0123456789abcdef0123456789abcdef0123456789abcdef0123456789abcdef
//*********************************************************     void lcd_com(uchar a)
{rs=0;rw=0;en=0;P0=a;delay_ms(1);en=1;delay_ms(1);en=0;               
}
void lcd_dat(uchar b)
{rs=1;rw=0;en=0;P0=b;delay_ms(1);en=1;delay_ms(1);en=0;        
}
void lcd_two_date(uchar add,uint date) //调节目标值和开关状态用 显示2个字符
{lcd_com(add);                         //设定指针        lcd_dat(0x30+date/10);                  //送十位lcd_dat(0x30+date%10);           //送个位               
}void lcd_three_date(uchar add,uchar *date,uchar p)        //显示 xx.x
{lcd_com(add);lcd_dat(date[p]);lcd_dat(date[p+1]);lcd_dat('.');lcd_dat(date[p+2]);
}void lcd_init()
{uchar i1;lcd_com(0x30);//8位界面基本指令集delay_ms(1);lcd_com(0x02);//地址归位delay_ms(1);lcd_com(0x0c);//显示打开，光标关，反白关lcd_com(0x0f);//光标闪烁0x0e只显示光标不闪烁delay_ms(1);lcd_com(0x01);                //清屏lcd_com(0x80);          //写 系统版本相关for(i1=0;i1<64;i1++)        lcd_dat(txt_1[i1]);delay_ms(1000);                        //延时一段时间lcd_com(0x01);                //清屏lcd_com(0x80);          //写 系统提示for(i1=0;i1<64;i1++)        lcd_dat(txt_2[i1]);delay_ms(1000);                        //延时一段时间}