从农业时代到工业时代再到信息技术时代，科学技术不断推进，造就了需多新兴事物,如互联网、物联网、移动通信、云计算、大数据等,一批新一代科学技术与行业产业紧密结合。然而，民以食为天，无论社会怎样发展，农业的发展不能忽视，它是其他行业、产业和人类社会发展的基础和保障。
纵观数千年的国内外农业史，我国农业的过去和未来可以归纳为三个阶段：分别是以体力劳动为主的小农经济时代（农业1.0）；以机械化生产为主、适度经营的“种植大户”时代（农业2.0）和以现代科学技术为主要特征的农业（农业3.0）。我国目前处于农业2.0到农业3.0的转型期，它的跃升将是加速的，是农业生产方式的根本性变革。未来现代化农业将是规模化、机械化、自动化、信息化和科学化的。
现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制，实现自动管理或无人管理。例如：空气的温湿度、土壤湿度、光照度、二氧化碳浓度等。这些参数的检测和控制会受到地形地貌、规模的限制，实现起来还有很多困难，但温室大棚具有特定的地形、封闭的环境，实现起来相对容易一些。温室大棚的管理水平一定程度上体现了一个国家和地区的农业发展水平。未来农业的自动化、信息化、科学化和无人值守种植将首先在温室大棚上得以实现。
从全国范围来看，目前温室大棚主要分布在北方地区，而且种植面积在逐步扩大，现代化水平也在逐步提高，有些已配备了卷帘机、通风扇等，但仍然是人工操作，且很少有环境参数的检测，即使有参数检测，大多数对大棚温度、湿度、土壤湿度的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。离自动化、信息化和科学化更是相差甚远。国外的温室设施己经发展的比较完备，并形成了一定的标准，但是价格昂贵，并缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。
综合分析以上因素，我们提出一种对温室大棚实现检测和控制的解决方案——智能大棚集群控制系统。本项目充分利用了GSM、CDMA等现有网络，借助WIFI、 ZigBee等模块可实现对单个大棚和多个大棚的同时检测和控制，把个体生产和规模化生产相结合，具有结构简单、运行灵活、经济实惠、性能可靠的优点。不但能满足个体农户生产的需要，还便于企业实现规模化的生产。
（一）、产品概述
智能大棚是基于宏晶科技IAP15F2K61S2为主控制芯片，并自主开发设计了主控板。大棚外部设ZigBee通信模块、语音播报模块、GSM通信模块、点阵屏显示模块、太阳能发电模块、卷帘驱动模块、键盘模块、电源模块、WIFI模块和无线模块等组成，大棚内部有温湿度传感器、烟雾传感器、摄像头模块、浇灌驱动模块、报警模块、补光加热等。
太阳能电池板能自动寻光给蓄电池和系统供电，使用IAP15F2K61S2单片机内部AD检测太阳能电池板取样后的电压，通过电压比较的方法控制两个步进电机，使太阳板自动寻光，单片机内部的EEPROM记录步进电机位置，即使系统断电，再次上电也可以正确的寻光。
环境检测由AM2301数字式温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器和土壤湿度传感器等组成，分别检测温室大棚的空气温湿度、烟雾浓度、土壤湿度等。通过这些外围传感器进行数据采集，CPU对数据进行处理后传送到液晶显示屏显示实时信息，当检测到用户的远程状态请求时，主控芯片也可以通过GSM模块将信息发送到用户手机上，实现远程检测和控制。也可利用计算机通过ZIGBEE模块或232传输实现对多个大棚的集群检测和控制。还可以通过WIFI模块将信息和实时视频发送到平板电脑上，进行远程检测和视频监控。在待机状态下，主控芯片不断监测键盘、GSM模块、WIFI模块、无线遥控或计算机的控制指令，根据不同的指令控制相应的继电器驱动电路，由继电器来控制通风、喷灌、加热、补光和农药喷洒等装置，从而实现大棚的自动控制和无人值守。
图2控制系统
图3大棚内部结构
1、控制器
本系统以IAP15F2K61S2单片机为主控制器，该芯片运行速度快、可靠性高、功耗低、抗干扰性强、内存大、并且内部集成10位高精度AD、3路PWM等片内外设资源。可满足大棚控制系统的需要。另外，此芯片还有如下特点：
（1）. 增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，比普通8051快8-12 倍
（2）. 内部高可靠复位，8 级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路
（3）. 内部高精度R/C 时钟，内部时钟从5MHz～35MHz 可选。
（4）. 61K 字节片内片内Flash 程序存储器，擦写次数10 万次以上
（5）. 两组高速异步串行通信端口，一组高速异步串行通信端口SPI。
（6）. 大容量片内EEPROM，擦写次数10 万次数以上
（7）.宽电压、超高速四串口、超强抗干扰，超低功耗。
图4主控制器
2、ZigBee通信模块
采用ZigBee模块，组网方便，无需新建网络即可实现多个大棚的同时检测控制。ZigBee接收模块通过USB转串口与PC机通信。可在线查看各个当前大棚的温度、湿度和土壤湿度等。界面上还有许多控制按钮，可控制大棚灌溉、农业喷洒、通风、加热补光和卷帘等。
3、GSM通信模块
采用GSM TC35i通讯模块，充分利用现有网络，无需单独组网，运行安全稳定，结构简单、运行灵活、经济可靠。而且可以实现远程控制（跨省、跨区域）。GSM模块接收到手机指令后，会通过串口通信与单片机连接，单片机接收到指令便会执行。如图8，我们看到界面上有很多控制按钮，当我点击“卷帘拉上”按钮，GSM模块接收到指令后，会给单片机通信，单片机接收到指令后，会控制卷帘驱动将大棚卷帘拉下。
4、摄像头模块
摄像头连接WIFI模块以后，可以通过平板电脑来实时查看大棚内部情况。摄像头可通过平板电脑控制对其上下左右移动来查看大棚内部信息，可做到查看大棚内部无死角。
5、语音播报模块
主控芯片通过检测控制设备对大棚当前的工作状态，来给语音模块反馈信息，使其播报当前工作项目是什么。
6、温湿度传感器
温湿度传感器的种类多，选择余地大，本系统采用AM2301温湿度传感器。把温度测量模块直接送入主控器，通过单片机的内部10位A/D采集信号，设置为第一路信号，可精确到0.50℃，满足应用要求。湿度测量模块，调理后也送入主控芯片，设置为第2路信号。由于AM2301有0.70%RH的温度系数，在信号调理电路中进行了温度补偿，在35%--85%RH范围内可精确到2%RH。其测量结果会实时显示液晶屏上。
7、烟雾传感器
采用MQ-2烟雾传感器，通过电位器设定烟雾指标补偿，然后送入单片机的I/O，经滤波处理后，判断是否达到设定阀值，如达到设定值，给报警器发送信号，使其报警。
8、点阵屏模块
采用自制的64*32点阵屏，来显示各个大棚的编号和当前工作的工作状态。
9、太阳能模块
采用2块太阳能板，两块并联，在经过稳压模块后给蓄电池充电；稳压模块的输入端接单片机的内部A/D，通过判断电压的高低，分析每个位置光照强度并记录在内部ROM中，通过扫描完成后，由水平和垂直步进电机将太阳能板转到光照最强位置。
10、键盘模块、无线遥控模块
采用4*4矩阵按键和无线遥控设备，在大棚内部实施控制。
11、WIFI模块
采用自制WIFI模块，来实现与互联网的通信和控制。摄像头通过自动连接WIFI，无线传输大棚内部情况，在任何地方都可以随时随地查看大棚内部情况。还可以通过平板电脑的控制按钮，来远程控制大棚的卷帘、通风、加热补光、灌溉、农药喷洒等，在信息显示栏还实时显示大棚中的参数。
12、控制模块
在系统中，主控制器可以通过键盘、无线设备、手机、平板电脑或计算机的控制信号来控制相应的继电器驱动电路，由继电器来控制通风、喷灌、加热、卷帘等装置。
14、液晶显示模块
采用12864液晶实时显示大棚内部各种参数，以及万年历功能。
15、土壤湿度传感器
采用3线制土壤湿度传感器。由于土壤中含有矿物质离子，这些矿物质离子都溶解在土壤中的水中。如果将两个电极插入土壤中，电极之间就可以通过这些离子导电。通过测量两电极之间的电阻值来表征土壤湿度的大小。由于两级间的电阻与电压成正比，所以通过计算两级的电压来表征土壤湿度。在测量电压之前，需将传感器得到的模拟电压信号经过A/D转换成数字信号以便单片机处理。当单片机检测到低于设定值时，便自动启动灌溉系统。
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