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基于物联网的花卉养殖监控设计系统开题报告

来源：花匠小妙招时间：2024-10-28 07:05

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江西科技学院

本科生毕业论文（设计）开题报告

题目：基于物联网的花卉养殖监控设计系统与研究

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指导教师1：佘学兵

指导教师2：

一、选题的依据及意义

随着国民经济的迅速发展，现代农业得到了长足的进步，花卉养殖监控系统工程已成为高效农业的一个重要组成部分。计算机自动控制的智能花卉养殖监控系统自问世以来，已成为现代农业发展的重要手段和措施。它的功能在于以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。

随着科学技术的不断进步与发展，温度控制在工业控制、农业环境检测、电子测温计、医疗仪器、家用电器等各种花卉养殖监控系统中广泛应用，本课题用于农业大棚温湿度控制显然是用在农业环境检测的一部分。目前温度传感器有模拟和数字两类传感器，为了克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端，大多数测温控制系统采用数字传感器，并大大方便了系统的设计。比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635、SMT160-30等。

在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国Dallas半导体公司推出的数字温度传感器DS18B20，具有独特的单总线接口，仅需要占用一个通用I/0端口即可完成与微处理器的通信；在-10～+85℃温度范围内具有0.5℃ 精度；用户可编程设定9～12位的分辨率。以上特性使得DS18B20非常适用于构建高精度温度测量系统。

二、国内外相关研究简介

花卉养殖监控系统是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。花卉养殖监控系统生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而花卉养殖监控系统设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。

国外对花卉养殖监控系统环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的花卉养殖监控系统控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

从国内外花卉养殖监控系统控制技术的发展状况来看，花卉养殖监控系统环境控制技术大致经历三个发展阶段：

（1）手动控制

这是在花卉养殖监控系统技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是花卉养殖监控系统环境的传感器，又是对花卉养殖监控系统作物进行管理的执行机构，他们是花卉养殖监控系统环境控制的核心。通过对花卉养殖监控系统内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节花卉养殖监控系统内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。

（2）自动控制

这种控制系统需要种植者输入花卉养殖监控系统作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定花卉养殖监控系统环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的花卉养殖监控系统控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变花卉养殖监控系统环境设定目标值，可以自动地进行花卉养殖监控系统内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化花卉养殖监控系统及引进的国外设备都属于这种控制方式。

（3）智能化控制

进入21世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
传感器在温度测控系统中的应用：

目前市场主要存在单点和多点两种温度测量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。此种产品测温范围大都在-200℃~800℃之间，分辨率12位，最小分辨温度在0.001~0.01之间。自带LED显示模块，显示4位到16位不等。有的仪表还具有存储功能，可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的测控，但价格昂贵。

三、本课题研究内容

本文介绍的是一个基于物联网的花卉养殖监控系统，本设计以AT89C51单片机的温度、湿度测量和控制系统为核心来对温湿度进行实时巡检。单片机能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温度进行定时采集。测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机的串行口和 RS-232总线通信协议能把温室中的温度、湿度等参数及时上传至上位机，并与设定值进行比较，与设定值不符时采取相应的处理措施，以实现恒温恒湿环境。

在设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用低价格、通用元件的的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有高的精度。本控制系统以单片机的控制为核心，实时监测环境的温度和湿度，并设定了这两个参数的上下限定值，并具有相应的报警系统，当超过设定的限定值时，单片机控制报警系统进行报警，而且同时驱动继电器打开相应的开关使相应的执行机构运行。当参数值恢复到设定值范围内时，单片机控制执行机构停止运行。从而使环境的温湿度在一定的范围内得到控制。

本设计主要内容包括以下几个方面：

1、选择适合的两种传感器，设计相应的信号采集和处理电路。

2、掌握AT89C51单片机的主要功能和特性，以其为核心设计控制系统。

3、设计简单的人机对话接口系统，如键盘、显示、报警等。

4、利用RS232实现单片机与上位机的通信。

5、实现系统的可靠性和抗干扰性。

四、本课题研究方法

1)花卉的生长是在一定环境中进行的，在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对花卉生长影响最大的是温度、湿度和光照度。环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大，对花卉生长极为不利。现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对花卉的生长进行合理的控制，而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。因此，本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的应用于农业种植生产的温室大棚测控系统。该系统由单片机对温度、湿度等参数进行巡回测量，并对测量的结果进行优化补偿，并进行调控，此外主控制器还可以同时完成系统参数测量，数据存储等，硬件总体设计结构如图2.1所示。由图2.1可知，整个系统采用 STC89C58RD +单片机为处理核心，通过温室现有的各种传感器检测温室的温度、湿度、光照度等环境因素，经由控制系统的 8路模拟量、数字量输入接口传输到 CPU中,并与系统设定值进行比较、判断、处理以及相关数据的存储。然后将 CPU处理后各种控制结果通过16路开关量输出口传送到电机和电磁阀等执行机构上,从而实现对温室的控制。温室独立控制系统上还包扩各种人机界面和数据传输接口,实现了人机交换方式以及实时参数的设定。本控制系统采用宏晶科技公司生产STC51系列单片机控制器 ( STC89C58RD + )。该单片机具有强加密性,无法解密，具有超强的抗干扰性能,且芯片内部自带看门狗。STC89C58RD +单片机最高时钟频率为0～80MHz,32k的Flash存储器、1280字节的RAM、拥有P4口适合需要多I/O的系统设计、16k字节的E2PROM可以提供比其它单片机更多的存储空间。其不需要依靠任何烧录器，直接通过电脑上的串口以ISP方式进行烧录。这种单片机的烧录方式操作简单容易，程序的调试灵活，修改方便，且不受地域、时间和环境的影响和限制，可为以后产品的改进和升级提供方便。

图2.1总体结构图

2）系统硬件结构

整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器ADC0809，由下位单片机AT89S51读取，单片机将数据通过485总线送给上位机，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制通风和喷灌装置，也可以通过键盘强制控制。智能温室大棚控制系统的组成基于两个方面：单栋温室大棚控制系统和集约化生产连栋温室大棚控制系统。后者建立在前者的基础上，前者适于我国农村个体经营的现状。对于单栋温室大棚控制系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了RS-232 和 RS-485通讯接口，便于和上位机通信，实现集散控制系统，其模式如图2.2。另外，在设计过程中考虑到农生产的特点，每个系统的各部分接口都作了模块化设计，并增加备用接口和功能，便于大棚生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性，扩大了适用范围。

图2.2集散控制系统实现

3）温室大棚的硬件组成

温室大棚的硬件组成原理如图2.3所示：

图2.3 温室大棚系统的主要硬件组成原理图

五、研究目标、主要特色（创新）及工作进度

研究目标：

（1）LED数码管在本设计中的作用为显示温湿度和光照数值，并且可以切换显示三组数据。它的成功与否直接关系到整个系统的成败，通过对它性能的了解，在电路搭接正确的前提下，配以控制命令，实现预期的显示效果。

（2）当数值低于设定的时，启动相应的控制项。使得控制量保持在正常状态。

在这次设计中，还存在一些需要改进的地方。比如可以增加多点采集和上位机显示记录，并作出趋势曲线图加以分析，使得控制更加有机。

主要特色（创新）：

本次花卉种植监控系统的温度检测系统仅考虑到了单点检测，然而在许多其他情况下还有多点检测，这时系统就不能达到要求，多点检测要求系统能过更全面完整的去检测多处的温度，对于系统的可扩展性提出了更高的要求。

工作进度安排：

第一阶段：下达任务，熟悉要求，查找资料，写开题报告。 1周

第二阶段：学习单片机控制的工作过程。 2-3周

第三阶段：电路设计，采购元器件。 4-5周

第四阶段：完成编写系统程序、调试和仿真。 6-7周

第五阶段：撰写论文，修改，完善。 8-10周

第六阶段：答辩 11周

六、参考文献（不能超过五年的文献，书籍除外）

[1]于海业，温室环境自动检测系统.农业工程学报，2017.

[2]牛皖闽，何立新.温室控制系统试验装置与系统分析.齐齐哈尔轻工学院学报,2015.

[3]Wray，Michelle Lynn ; A fuzzy logic controller for temperature

control of a six2zone tube furnace[D]. UNIVERSITY OF LOUISVILLE 2014.

[4]郑锋, 王巧芝, 孙西瑞. 温室大棚自动控制系统的设计. 农机科技与信息，2016.

[5]路康, 马斌强, 刘美琪, 袁超. 温室大棚动态参数测试系统的设计. 河南农业大学学报,2016.

[6]Tetsuo Morimoto，Yasushi Hashimoto．An intelligent control for greenhouse automation，oriented by the concepts of SPA and SFA[J]．Computers and Electronics in Agriculture， 2015．29：3—20．

[7]丁镇生. 传感器及传感器技术应用.北京：电子工业出版社，2016.

[8]何希才, 薛永毅. 传感器及其应用实例. 北京：机械工业出版社. 2014.

[9]Diaz， Gerardo Gristian ;Simulation and control of heart exchangers

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[10]曹柏荣，瞿丹晨. 温室大棚中 CO2浓度测量仪.仪表技术与传感器， 2015.

[11]彭其圣，刘松龄. 单片机温室大棚种植参数监控系统. 中南民族大学学报:自然科学版，2014.

[12]周航慈. 单片机应用程序技术. 北京：北京航空航天大学出版社， 2015.

[13]郑锋,王巧芝,孙西瑞.温室大棚自动控制系统的设计.农机科技与信息. 2015.

[14]National Semlcondactor. ADC0809UserGuider[M]. [s. L]: National

Semiconductor.2015.

[15]Anon．Chipcon AS Smart RF CC2420 Preliminary Datasheet [Z].[S.1.]：Chipcon.2016．

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