AVR现代设施农业的监控系统设计

设施农业是是综合利用先进的设施设备和先进的生产技术，人为地创造动植物生长发育所需要的最佳环境条件，并通过科学的技术管理，最大限度地提高土地产出率、资源利用率、劳动生产率和产品商品率，从而获得最佳经济效益、生态效益和社会效益的一种生产方式。相比于传统农业，具有空间利用率高、生产周期短等突出优势，成为国内外广泛采用的一种农作物生产方式。针对现代设施农业要求，设计集温度、湿度、CO₂浓度和光照度于一体的参数采集系统，并结合作物与LED光学特性的关系，设计LED光谱可调的光源控制系统，用于作物环境的补光照射。监控系统取代了传统的人工监控方式，自动化程度大大提高。系统根据不同作物的要求，采用不同光谱进行补光照射，更有利于作物的生长。

1. 监控系统组成

根据农作物种植的需求，设计适合于现代设施农业用的多参数监控系统，主要包括光照、温度和湿度等参数的监控和LED光源的光谱调节功能，采用本系统进行农作物补光，可以根据特定植株的特点，选择不同的控制LED光谱范围，从而实现光源的柔性控制。系统组成如图1所示。

图1 系统组成

1.1 参数测量端

针对需要采集的四种参数及其特点，设计参数采集模块。温度测量采用DS18B20型温度传感器，该传感器采用单总线接口，测量温度的范围在－10度到＋85度之间，测量的温度精度约为±0.5度，能够满足作物环境的温度精度要求。湿度参数测量采用CHTM-02NA型传感器，输出模拟电压信号0-3V，湿度测量范围10% - 95%RH。CO₂浓度测量采用MG811型传感器，测量范围350—10000ppm，输出模拟电压30-50mV。光照度测量采用光电池。光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电转换器件，通过将光信号转变为电信号来检测待测量。

1.2控制器芯片

现代设施农业要求同时测量大棚环境中多点的各个参数，因此对数据的实时性和处理速度要求较高，因此微处理器采用MEGA128，MEGA128是ATMEL公司研制的基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，MEGA128的数据吞吐量高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，具有较高的性价比和高稳定性的微控制器，最高工作频率为16MHz。MEGA128通过扩展一系列完整的通用外围器件，使系统费用降至最低。它具有SPI、JTAG和PWM定时器、片内A/D转换器等，可以满足本设计的要求

2 系统结构设计

针对不同的参数监控要求，进行以下几个功能模块的设计。

2.1 参数采集模块

DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对MEGA128单片机来说，硬件上不支持单总线协议，因此，必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。并对读写的数据位有着严格的时序要求。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 采用DS18B20设计的温度参数采集模块如图2所示。

            图2 温度采集模块                    图3 湿度采集模块

湿度采集模块采用了CHTM-02NA型湿度传感器，输出模拟电压信号0-3V，湿度测量范围10% - 95%RH。模拟电压信号通过单片机MEGA128的PA0口进行A/D转换，如图3所示。

CO₂浓度采集模块见图4，外部+6VDC电压给H-H端加热元件加热，当其表面温度足够高时，MG811元件相当于一个电池，其AB两端会输出电压信号，根据该电压信号的大小可测量CO₂浓度。

            图4 CO₂浓度采集模块                               图5 照度采集模块

针对LED对作物的补光照射的优势，开发光照采集系统和光谱范围可调的光照控制系统，可以方便地应用在不同类型的植物补光场合。照度采集模块见图5。

3 结论

系统监控的目的是要为作物的生长创造适宜的光、温、湿、气等优化的环境条件，调节作物生长过程和成熟上市时间，以获得更好的经济效益。本文对现代设施农业的要求，设计集多参数采集与光照度和波长可调的监控系统，方便对作物环境的远程监测和控制，节约人力资本的同时提高了工作效率，系统工作可靠，满足设计要求。