基于GD32 的智能农业棚室控制器

陈琦

（哈尔滨光宇电气自动化有限公司，黑龙江 哈尔滨150078）

1 概述

随着电子技术及物联网技术的迅猛发展，如今智能设备在农业领域有了广泛的应用。本文所设计的智能棚室控制系统，能实时监测棚室内部环境数据，根据农作物对环境的要求，可实时调节环境数据，满足农作物对生长环境的要求。如通风、喷淋、棚膜开关调节等。本棚室控制器还可针对不同农作物对不同环境条件的需求，设置多种适合不同作物的环境参数，这可以有效的提高作物产量，节约人力成本。棚室控制器可通过外部传感器采集到精确的环境数据，相对较传统农业的粗犷的种植和管理模式，提高了管理精细度，在农业增产和日常维护费用上将产生巨大的社会效益和经济效益。

2 系统原理分析

智能棚室控制器构成，包括高性能32 位ARM处理器的数据处理模块、高可靠性GPRS 模块、传感器数据采集模块、EEPROM存储模块及控制出口模块。棚室控制器可实现远距离短信通讯、GPRS 通讯、RS485 通讯；通过485 接口可外接传感器可实时监测环境温湿度，光照、土壤湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度等数据，根据事先设置在EEPROM中的各环境数据定值，进行喷淋、通风、棚膜开关调节，以保证农作物在一个最佳的环境下生长。智能棚室控制具有数据异常告警功能。可和中心站监控软件配合组成综合自动化实时监测和控制系统，也可以根据实际需求搭配不同的外部控制设备，从而应用到家禽养殖等不同领域。

3 电路设计方案

智能棚室控制器硬件由五部分组成：

（1）数据处理模块；

（2）传感器数据通讯模块；

（3）GPRS 无线传输接口模块；

（4）EEPROM存储模块；

（5）控制开出模块。

图1 智能棚室控制器应用框图

图2 智能棚室控制器系统硬件框图

数据处理模块使用GD32 系列芯片，它是兆易公司生产的高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3 内核的32 位控制器，高达72MHz 主频，内置达128K 闪存,零等待周期的存储器。具有自主知识产权的“gFLASH”技术，使片上Flash 可重复擦写100000 次。它还有丰富的外设接口，能够高效的处理数据，保证程序处理速度和性能上的冗余。采用低功耗设计，降低能耗的同时可以提高模块的使用寿命。本文选用了GD32F103RBT6 芯片。

GPRS 无线传输部分使用SIM800C 模块，它是SIMCom 公司推出新款紧凑型产品，它是支持四频段GSM/GPRS 模块，采用42 引脚SMT 封装形式，其性能稳定，外观精巧，性价比高。SIM800C 采用工业标准接口，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。SIM800C 采用省电技术设计，在休眠模式下功耗低至0.6mA，它的尺寸大小为17.6x15.7x2.3mm，能满足绝大多数产品对空间尺寸的设计需求，标准串口通过AT 命令控制，尤其适用于紧凑型产品设计。

EEPROM 存储模块通过IIC 总线接口EEPROM 芯片AT24C64 连接至DG32，保证停电后数据不会丢失；使用MAX485 芯片连接至GD32 串口2 实现RS485 通讯，实现与外部各种环境传感器连接；DG32 主控芯片通过串口3 与SIM800C模块连接通讯，实现配置GPRS 模块和收发数据至云端；使用欧姆龙G2R-1 型号继电器作为控制开出，控制卷膜机、风机、水泵、加热器等设备按要求启停。

布局布线方面由于SIM800C 模块以最大功率发射时，电流峰值瞬间最高可达到2A，从而导致在模块电源上有较大的电压跌落。所以电源端可使用一个100μF 大电容稳压；天线部分，天线输出引脚与天线连接器走线越短越好，天线引线采用射频同轴屏蔽电缆接至机壳外部；SIM卡处由于面积较大，比较容易受到干扰，需要靠近模块摆放并远离天线部分。对强干扰信号造成的运行出错采用硬件看门狗电路处理，保证在无人值守时也能可靠运行；对RS485 传输线使用屏蔽双绞线，并且单端接屏蔽地。电源及通讯端口加入TVS，实行防电脉冲冲击和防雷保护措施，已在实际应用中获得了极好的效果。

4 系统软件设计

系统软件设计如下：系统上电后首先硬件初始化，对相关IO 引脚及EEPROM 的IIC 接口初始化，对两个异步串口初始化，需要设置好通讯的波特率和数据位。接下来对SIM800C 模块初始化，通过GD32 的串口3 发送AT 命令，设置模块的通讯方式及环境监测云平台的IP 地址，再检测连接网络是否成功，如果连接入网，则通过串口2 转成的RS485 接口采集各个环境传感器数据和数据判断，并把数据从串口3 发送到GPRS 模块，通过GPRS 网络经过TCP 协议方式把数据传送到环境监测云平台上去。对采集数据的主要处理方式为和EEPROM设定数据比较，当数据大于设定值时，如温度过高，可使控制开出端的风机开启进行降温。如温度过低，可使控制开出端加热器开启升温。同理，湿度大小可以调节控制开出端的电磁阀（喷淋系统），光照度大小可以调节控制开出端的卷膜机系统。

图3 智能棚室控制器软件流程图

综上所述智能棚室控制器可以根据当前棚室环境数据值，判断出当前棚室环境是否在要求状态异常数据会和EEPROM中的设定的上下限定值相比较，做出异常判断如温度过高、空气湿度过低、光照度过低等情况。同样监控中心可以通过GPRS网络下发和更改定值到检测模块以适应不同种类的农作物。

5 结论

经实践证明使用基于GD32 控制器和GPRS 智能农业棚室控制器满足广泛的智能农业应用需求，采用GPRS 无线通信，可以使布线简单。控制器外扩传感器模块对环境数据自动检测，避免了人力现场检测。控制器模块可设置自定义名称，当发送故障时，可直接定位到具体的棚室。在监控中心或监控云平台发生停电或者系统故障时，棚室控制器器模块可独立使用，可直接给管理员发送手机短信提示故障。当环境数据异常，棚室控制器开出端系统会根据需要自动工作，如通风、喷淋、加热等，直至将环境数据调整到合适状态。使用本棚室控制器可大量减少人力物力的投入，广泛适用于各种智能农业场所。