基于ARDUINO的温室控制和监测智能化系统设计与实现

摘要

几乎所有的植物正常生长都需要一定的环境条件。因此，加强对环境条件的控制，以便使这些条件尽可能完美满足作物所需是非常重要的。为了构建这样一个理想的环境，需要通过对主要的气候和环境参数，如温度、湿度、光照强度、土壤水分等进行控制以便达到这样的要求。对全年能够持续生产优质蔬菜或花卉的需求有效促进了自动化温室的发展。这类自动化控制系统提供了植物生长所需的最适宜条件，并控制温度、湿度、光照强度和土壤水分，他们能够被持续地控制和监测，以便对它们进行优化进而达到生产效率和植物生产的最大化。　　在温室规模不断扩大的情况下，农户必须相应增设对应测量点以便跟踪环境变化，进而使节能和更精确的调整成为可能。然而，增设测量点意味着安装和维护成本的增加。同时这些新增测量点一旦被创建和安装，他们在未来的迁移将变得十分繁琐。基于上述原因，本文提出了一个较为新颖的解决方案，即基于Arduino针对温室环境研究和开发出一套智能化的控制和监测系统，用于实现可编程方式智能地监测和控制温室气候条件。　　本系统由三大部分组成，分别是“传感器单元”、“控制单元”和“中心站”。传感器单元用于数据采集。它负责收集必要的环境变量数据并通过以太网插板模块将相关参数传输到控制台。控制单元的本质即作为一个路由器，以预编程的方式控制数据和指令在传感器单元和中心站之间的流动。本单元还管理本地调节器和设备，如水泵、加湿器、灯等等。中心站是整个系统的主控制器。它向控制单元发出指令，处理传入的数据并允许方便地访问系统用户的数据。本平台还可以实时地存储和可视化数据，并负责温室环境相关参数的调整。为了更好地监测温室内的环境状况，传感器单元配备了几个传感器模块，如湿度、温度、土壤水分、光照和CO2传感器。传感器单元和控制单元之间的通信是通过Arduino ATmega2560单片机实现的。传感器单元和控制单元均需要中央处理单元，以执行各种任务，例如数据采集、数据处理和数据传输等，在此过程中单片机被用于这两个单元。控制单元和中心站之间的通信是通过以太网板卡模块实现的。　　对Arduino单片机的编程采用C编程语言作为处理语言。代码被写进Arduino集成开发环境，用于控制传感器，并执行相关其他功能，包括将数据发送到中心站。一旦传感器单元收集完成，相应的湿度、温度、二氧化碳浓度、土壤水分和光强度测量等数据将被存储在MySQL数据库中，可以通过系统的web应用程序在服务器端对其进行访问。上述MySQL数据库由web浏览器使用开放源码工具PHPMyAdmin对其进行管理。系统的中心站被设计成可以采用不同的编程语言来实现相关功能。在服务器端，PHP是一种常用的编程语言。在客户端，采用了不同的呈现技术，包括像JavaScript、HTML5、CSS3以及JQuery等，他们均被用来设计用户界面。Web应用程序运行在本地的XAMPP服务器上，该服务器被安装在计算机的操作系统内WEB服务器根目录下。　　Arduino单片机与web服务器和以太网板卡集成设立。Web服务器用于WEB页面的响应，以便可以被任何Arduino设备上运行的web浏览器访问。Arduino web服服务器端页面允许对Arduino硬件的访问——这允许相关硬件可以被控制（如可以从WEB页面对水泵进行打开和关闭）和监测（例如读取该驱动器的状态并在网页上显示）。Arduino被分配了一个静态IP地址，以便使web服务器更容易响应。通过不同的大量实验，本文验证了该采用以太网板卡WEB SERVER技术的功能性和可靠性。结果表明，以太网板卡模块可以作为一种有效解决方案，大大降低了安装成本，提高了温室监测和控制的灵活性和可靠性。　　总体来说，本文采用基于WEB的应用系统作为Arduino的界面，以太网板卡模块作为WEB SERVER和微控制单元的连接器，可视化再现了来自不同传感器和不同调节器的海量状态和数据。通过对控制系统的结果和设计方案测试，表明本方案是可行的。与此同时论文也概述了一些特殊流程和解决方案的设计。整个系统的架构充分体现了一些优点，如成本、规模、电力消耗、灵活性，以及智能分布。有理由相信，本项研究的成果对未来低成本高智能温室控制监测系统的研究、开发以及商用化具有一定的借鉴意义。

目录

声明

Table of Contents

LIST OF ABBREVIATIONS

摘要

ABSTRACT

CHAPTER ONE：INTRODUCTION

1．1 General objective

1．2 Specific objectives

1．3 Problem statement

1．4 Significance of the study

1．5 Outline of the thesis

CHAPTER TWO：RESEARCH BACKGROUND AND LITERATURE REVIEW

2．1 Introduction to Greenhouse

2．1．1 Definition of a greenhouse

2．1．2 History

2．2 The principle of greenhouse

2．3 Environmental factors and plant growth

2．3．1 Introduction

2．3．2 Temperature

2．3．3 Humidity

2．3．4 Light Intensity

2．3．5 Soil moisture

2．3．6 Carbon Dioxide (CO2) Concentration

2．3．7 Conclusion

2．4 Serial Communication Interfaces

2．4．1 Universal Asynchronous Receiver／Transmitter (UART)

2．4．2 The Single Wire

2．5 MySQL Database

2．5．1 MySQL Features

2．5．2 MySQL Limitations

CHAPTER THREE：HARDWARE IMPLEMENTATION AND DESCRIPTION

3．1 Arduino Mega 2560

3．1．1 Hardware

3．1．2 Software

3．2 DHT11 Humidity and Temperature Sensor

3．2．1．Introduction

3．2．2 Overview

3．2．3 Communication Process

3．3 (SKU：SEN0114) Soil Moisture Sensor

3．3．1 Overview

3．3．2 Specifications

3．4 BH1750FVI Digital Light sensor

3．4．1 Overview

3．4．2 Specifications

3．5 MG811 CO2 sensor

3．5．1 Overview

3．5．2 Specifications

3．6 HR911105A Ethernet Shield

3．6．1 Overview

3．6．2 Specifications

3．7 Fan

3．8 Pump

3．9 Light Bulb

3．10 Relay module

CHAPTER FOUR：SYSTEM INTEGRATION

4．1 Design characteristics

4．1．1 Central station requirements

4．1．2 Control unit requirements

4．1．3 Sensor unit requirements

4．1．4 Development Platform

4．1．5 Design Constraints

4．2 Software Design and Implementation

4．2．1 Introduction

4．3 Overall Hardware Design

4．3．1 Processing unit

4．3．2 Sensor unit

4．3．3 Relay control unit

4．4 Overall Software Implementation

4．4．1 Introduction

4．4．2 Software design of the sensor unit

4．4．3 Software design of the control unit (Arduino Mega)

4．4．4 Software design of the central control station

4．5 Web Application Design

4．5．1 Understanding the web development

4．5．2 Web GUI (Graphical User Interface)

4．5．3 MANUAL Mode

4．5．4 AUTO Mode

4．5．5 Database

CHAPTER FIVE：CONTROL OF OPERATIONS AND SYSTEM EVALUATION

5．1 Introduction

5．2 Development of the proposed controller

5．2．1 Development of the proposed controller

5．2．2 Control Rules

5．3 Controller Implementation and Evaluation

5．4 System Evaluation

GENERAL DISCUSSION

CONCLUSION

RECOMMENDATIONS

REFERENCES

PUBLICATIONS

ACKNOWLEDGEMENTS

APPENDICES