实验题目：智慧农业之温室大棚监测系统的设计

1. 课程简要信息

课程名称：电子设计实践
课程学时：36 学时
适用专业：电子信息工程、通信工程
学生年级：大三学生

2. 实验内容与任务（限 500字）

实验内容：随着农业技术不断的进步,农业大棚越来越多,对大棚的管理和监控的要求也就越来越高。设计一种基于物联网的温室大棚监控系统，该系统可实现对大棚内湿度、温度、光照强度、二氧化碳浓度等参数的远程实时监测，当环境参数异常时，系统能够自动报警。

基本任务：采集一种环境参数，并将参数传输至PC 显示；在上位机界面可以设置环境参数的警戒值，并在环境参数超过警戒值时进行报警。

扩展任务：系统可采集两种或两种以上环境参数；系统中配备蓝牙或其他无线方式通信的手持终端设备，可以显示环境参数。

3. 实验过程及要求（限 300字）

1）理论知识准备：学习了解物联网和无线传输技术，学习掌握各种传感器的工作原理，学习了解上位机的功能和实现方法。
2）需求分析：查阅资料，充分了解系统的功能及要求，并建立资料文档。
3）方案设计：将系统划分为若干个相对独立的单元电路，画出完整的系统框图。
4）硬件电路设计：根据实现的功能及指标合理选择元器件种类及其相关参数；合理设计单元电路，各单元电路间要相互配合，注意各部分的输入、输出和控制信号的关系。熟练使用Altium Designer 软件，并画出硬件电路原理图；
5）软件程序设计：画出程序流程图，进行软件编程并调试。
6）实物的制作与调试：完成实物的制作，并进行软硬件联调，排查故障，完成功能测试。
7）撰写课程设计报告，并进行答辩。

4. 相关知识及背景（限 150字）

这是一个运用嵌入式技术和无线传输技术解决现实生活和工程实际问题的案例，需要运用传感器及检测技术、信号处理技术、无线传输技术，数据显示、参数设定、功能报警、上位机编写、手机APP 编写等相关知识与技术方法，并涉及需求分析、硬件电路设计、软件程序设计、无线数据传输、上下位机组网及抗干扰等工程概念与方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生掌握电子工程软、硬件系统的开发和调试，加深学生对现代物联网技术、传感器技术、上位机技术的理解与掌握；锻炼学生理论联系实际，解决复杂工程问题的能力；培养学生团队协作、沟通表达、自主学习的素质。

6. 教学设计与引导

本次课程设计是一个完整的工程实践项目，以“能力为导向”，侧重学生解决“复杂工程问题”能力的培养，提升其工程文化素养，需要经历需求分析、方案设计、硬件电路设计、软件程序设计、综合调试、撰写设计报告等过程。在实践教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1） 实验前帮助学生进行产品功能分析，以教师讲解为主。

1）讲解本次实验项目背景、实验目的、实验内容及要求。
2）引导学生将工程问题抽象为技术问题，从数据采集、传输和监控环节入手，进行模块化设计。
3）介绍常用文献资料检索工具的使用方法。

（2） 实验中教师在设计方案的可行性、器件的选择、软件编制等方面全程指导；根据学生的能力水平要因材施教给予不同的指导。本阶段以学生自行设计为主，教师指导为辅。

1）学习 ZigBee 技术及无线传输技术，选择主控芯片；不同无线传输方式的有效范围、价格、传输速率都存在很大的差异，因此要根据具体的使用情况来选择无线传输方式；根据使用环境，选择合适拓扑结构进行组网架构；

2）选择不同的传感器以检测不同的环境参数，从价格、精确度、适应性等多方面考虑传感器的类型，选择合适的传感器；由于实验要求检测环境参数的精度并不高，所以传感器的选择就有了一定的可选性，但同时要考虑温室大棚这个特殊的应用范围，从而挑选出合适的传感器；信号调理和放大电路要根据所选传感器输出信号的特征来设计

3）在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；

4）上位机的设计是系统的重点，一个良好的人机交互界面是必要的，选择何种编程软件去实现，难易度也不一样；了解上位机的功能和实现原理，选择合适的软件进行编写；了解手机APP 的功能和实现原理，选择合适的软件进行编写；

5）串口通信协议：学习单片机串口通信的程序设计，以及实现将单片机与计算机进行有线式的串口数据交换。

6）了解温室大棚不同作物的生长环境数据，以便设置环境参数；

7）在系统设计出来之后，建立数个简易的温室大棚模型，进行详细的实验性验证，各部分单独运行观察是否工作正常，然后进行组网验证，观察整个系统是否运行正常；观察上位机和手机APP 数据显示是否正常工作；在调试中，要注意工作电源、工作环境对系统指标的影响，系统工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

（3） 实验后学生进行项目总结，教师验收学生作品。在实验完成后，要求学生撰写设计报告，组织学生以项目演讲、答辩的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

7. 实验原理及方案

（1）实验原理

温室大棚监控系统可以实现对大棚中的光照、温湿度和 $\mathrm { C 0 _ { 2 } }$ 气体等环境参数进行监控，主要包括数据采集模块、终端处理模块、数据传输模块和显示控制模块，系统结构如图 1 所示，本结构以ZigBee 进行的组网，目的是引导学生学习新知识、新技术，实现方案不唯一，学生可以在此基础上自由发挥，采用多种思路实现系统功能即可。

图1 系统结构图

（2）实现方案

1）数据采集模块

数据采集模块主要负责环境参数的测量。利用各种传感器将温室内环境参数的变化转换成电信号，再经过放大电路对这个新号作放大处理后,通过 ADC 转换成数字量,之后传输给终端处理模块进行数据预处理。在本设计中需要用到的传感器有温湿度、光照、二氧化碳浓度等多种传感器。

可供选择的温度传感器有热敏电阻，基于绝对温度电流源型 AD590，数字式集成传感器DS18B20等。

可供选择的湿度传感器有电容式湿度传感器HS1101、HS1500 等。

还可选择温湿度传感器一体的数字温湿度传感器 DHT11、AM2302、ER-TH-M5。

光照强度传感器：可以使用光敏电阻作为光照度采集元件，或者使用硅光电池作为光照采集元

件的传感器，如BYT20YSCGJ(紫蓝硅光电池)。

CO2 传感器：可采用红外二氧化碳传感器 COZIR-P、MH-Z19、6004 等,固态电解质的 SM2170B、MG811 等。

2）终端处理模块

终端模块主要作用是把数据采集模块采集到的数据进行处理，然后把数据传输到协调器上，并和协调器进行通信，当环境参数异常需要调整时，终端接收来自协调器的信息，作为主控芯片对控制设备进行调整，以恢复正常的环境参数。

这里可以使用ZigBeeCC2530 作为主控芯片，它既起着控制芯片的功能也起着无线传输数据的功能，或者采用其它单片机（51 单片机、STM32、MSP430）和无线通信模块（433MHz 无线发射/接收模块）。

3）协调器模块

协调器模块主要起着数据传输的作用，ZigBee 中协调器节点是整个网络的发起者,它负责管理整个ZigBee 网络。在本设计中,协调器节点也担任网关的角色,它在整个系统中有着至关重要的作用,首先它要接收由监控软件提供的各参考接点和移动接点的配置数据,并发送给相应的接点,其次,还要接收各接点反馈的有效数据并传输给监控软件。终端实现将各个数据采集节点釆集到的数据以无线的方式汇发送给协调器，协调器通过 RS232 总线与电脑相连,作为监控软件的数据源。

这里可以使用ZigBeeCC2530,来实现与终端的连接和数据传输，并通过串口通信和上位机相连此外，还可以采用无线通信模块、单片机和串口通信（或者 GPRS 模块）共同实现信息的传输。

4）上位机显示及控制模块

显示控制模块主要包含了两个模块：PC 端上位机和手机端APP。

PC 端上位机需要实现如下功能:

$\textcircled{1}$ 数据实时显示：上位机的监控软件,必须具有直观的显示界面,可以将每个传感器节点釆集到的各种参数实时的显示出来,同时还要能绘制出参数的变化曲线,让用户直观的了解到现场各个节点所处位置的环境变化情况。
$\textcircled{2}$ 报警功能：当环境参数超出预设值时，能在上位机界面进行显示。
本上位机功能的实现可用Visual $\mathrm { C } { + } { + }$ 或者 LabView 软件等。

手机端APP 需要实现如下功能：

$\textcircled{1}$ 数据实时显示：相对于PC 端的上位机，手机APP 起着辅助监视的功能，能实时显示部分数据信息。
$\textcircled{2}$ 控制：当系统发生报警时，手机能对系统进行简单的调整，以辅助管理员改善环境参数。
本手机 APP 可用 Android Studio 软件进行编写的。

8. 教学实施进程

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）设计题目、内容及要求主要叙述设计题目要求、系统实现功能等。
2）方案论证主要是工程问题抽象建模，形成温室监控系统框图，然后论证各模块选型依据并给出具体型号。
3）硬件电路设计要求给出单元电路图及系统整体电路图。
4）软件程序设计要求给出软件流程图，并进行简要的说明。
5）系统调试写出硬件和软件调试步骤，简要说明调试过程中碰到的问题、错误及其排查、解决方法。
6）实验总结总结实验收获和改进方向。
7）附录：程序清单

8）参考文献

10.考核要求与方法（限 300字）

1）考核内容及所占比例

2）总评成绩折合

优：90-100 分； 良：80-90 分；中：70-80 分；及格：60-70 分；不及格：60 分以下 。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150字）

本项目基于成果导向教育模式（OBE）的理念，结合工程实践项目设计而成。通过对项目需求抽象建模、方案论证、硬件电路设计、软件程序设计、系统测试等环节，培养学生综合运用所学科学理论和技术手段，分析并解决“复杂工程问题”的基本能力。

实验案例信息表