基于ARM的农业大棚管理系统

摘 要：当前较多的农业大棚仍采用传统的人工操作和控制方法，出现较多弊端。管理粗放、技术设施落实不到位、智能化水平低导致单位生产效率低、投入产出比不高、农业产品质量安全水平起伏较大。本设计提出了基于LPC4357的农业大棚管理系统，使用温度、湿度、光敏传感器检测农业大棚的温湿度和光照值，通过ZigBee将数据传送给主控，并将最终数据显示在LCD屏上。当大棚环境中的温度高于设定值时，自动开启大棚通风系统，进行通风换气降温；当土壤湿度低于设定值时，启动大棚内的灌溉系统进行灌溉，当湿度达到设定值时则自动停止，实现智慧农业。

关键词：LPC4357；ZigBee；农业大棚；传感器

中图分类号： TP212；S626.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-1302（2017）09-0100-02

0 引 言

根据我国的国情，农业较工业而言占据较大比重。但我国农业工业化水平较低，传统农业大棚较多。传统的农业大棚存在以下弊端：

（1）传统农业大棚基本都采用人工管理，管理程序多且复杂，同时人工管理投入大，容易产生错误，易造成大棚温度过高、过低、过潮、过干等；

（2）由人工管理的农业大棚无法实时监测大棚的状态，对大棚进行实时管理；

（3）传统大棚燃料消耗较大，导致成本较高，降低了收益。传统农业大棚生产效率低、成本高、产量低等特点已无法满足工业信息化时代的要求。随着我国人口逐渐增多，人民生活条件也逐渐改善，传统大棚已不能满足现代人的需求，开发智能管理大棚势在必行！

1 系统方案介绍

系统基于 LPC4357，使用温度、湿度、光敏传感器检测农业大棚的温湿度和光照值，通过 ZigBee 将数据传送给主控，并将最终数据在 LCD上显示出来。

本设计系统框图如图1所示。本设计由数据采集模块、ZigBee 无线传输模块、主控模块和自动调节模块等组成。数据采集模块将采集到的温湿度和光照信息通过 ZigBee 协议栈传送给与 LPC4357 连接的 ZigBee 节点；ZigBee 节点再通过串口将数据发送至 LPC4357 主控模块；如果某一大棚的参数超过设定值，液晶屏会出现红色告警，如果温度过高则开启风扇进行通风降温，若土壤湿度过低，则启动自动灌溉装置进行灌溉。

硬件设计

2.1 主控模块介绍

LPC4357 拥有 Cortex-M4 处理器与 32 位的 ARM，最高运行频率为168 MHz，内部集成1 MB 闪存，192+4 KB 的SRAM，可外扩 Micro SD 卡存储，6 路串口，工作温度范围为 0 ℃ ~ 40 ℃，工作电压为 5 V。

由 PF9 控制风扇继电器，驱动降温控制；由 PF10 控制土壤灌溉继电器，驱动自动灌溉装置。

2.2 ZigBee无线通讯模块介绍

ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于短距离、低功耗且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输。

ZigBee 无线传输模块以 CC2530 芯片为核心进行相互间的通讯。本设计有 5 个 ZigBee 节点，其中1个为接收，其余4 个为发送。4 个发送节点分别发送大棚温度、湿度、光照和土壤湿度值。

2.3 各传感器介绍

本设计用到的传感器包括温度传感器 DS18B20、湿度传感器 DHT11、光敏电阻以及土壤湿度传感器。这些传感器负责采集信息，并将采集到的信息分别通过4 个 ZigBee发送模块发送给接收模块。

2.4 串口电路

发送端通过串口将数据发送至无线协议栈中，通过无线发送给接收端，接收端接收到信息后通过串口发送给 LPC4357主控制板，主控制板接收、处理串口信息进行界面显示，进行数据处理后，LPC4357 通过一个 IO 口发送控制信号，以此来驱动自动灌溉装置或降温装置。

3 软件设计

3.1 软件环境介绍

本设计运用 Keil 公司研发的 RealView MDK 软件，该编程软件被全球超过十万嵌入式工程师或学者使用，是ARM 公司最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。它集成了业界领先技术，融合了中国多数软件工程师所需要的特点和功能。μVision4 集成开发环境支持 ARM7、ARM9 和最新的Cortex-M3 内核处理器，自动配置启动代码，具有强大的性能分析功能。

3.2 子节点 ZigBee采集传感器

ZigBee 接收流程如图 2 所示。先检测传感器是否存在或完好，若存在或完好，读取传感器信息并进行转换，最终将数据写入无线协议中并发送。

3.3 ZigBee 接收流程

ZigBee 接收流程如图 3 所示。接收端接收到数据后进行数据帧头匹配，完成之后对数据进行判断，从而控制自动调节模块。

4 系统测试

与一般温室大棚相似，应设定参数满足其光照、滴灌、大棚内二氧化碳浓度、湿润度以及土壤酸碱度等。测试周期控制为一周，采样时间间隔设定为1小时，本系统采用模拟测试，搭建按比例缩小的农作物温室大棚，对环境参数采集 24 组数据，对温度、湿度、光照、土壤湿度进行监测。

通过自动灌溉装置与降温装置将数据控制在设定范围。一周监测数据如图 4 所示，光照平均值如图 5 所示。

5 结 语

对一周的数据进行分析可以看出，本设计可以实现农业大棚监测及控制，解决了农业大棚看护不科学、不及时，从而造成农业产量下降，甚至无法收获农作物的问题。