智能溫室大棚控制系統(tǒng)

孟凡奧 何豪 劉曉蕓 張凌飛

【摘要】為提高溫室大棚內(nèi)蔬菜的產(chǎn)量，及時(shí)掌握棚內(nèi)溫度、土壤濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度等參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控，本文介紹一種基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和原理，通過(guò)設(shè)定不同時(shí)期作物生長(zhǎng)所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)溫室大棚科學(xué)、智能化、高效率的管理。

【關(guān)鍵詞】產(chǎn)量;測(cè)控;傳感器;最佳環(huán)境參數(shù);智能化

Abstract：In order to improve the production of vegetables in the greenhouse，to grasp temperature，soil humidity，concentration of carbon dioxide and intensity of illumination in greenhouse promptly and real-time monitoring.This paper describes the structure，function and principle of a intelligent greenhouse control system based on microcontroller.by setting the best environment parameters for different periods of crop growth to achieve greenhouse science，intelligent，efficient management.

Keywords：production;measuring and controlling;sensor;best environmental parameter;intelligent

1.引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ钏降牟粩嗵岣撸迈r蔬菜的需求量也日益增長(zhǎng)。然而，面對(duì)當(dāng)前人口多，人均耕地面積逐漸減少的現(xiàn)實(shí)，如何提高蔬菜產(chǎn)量顯得尤為重要。目前農(nóng)戶在進(jìn)行大棚種植過(guò)程中運(yùn)用自行研制的控制系統(tǒng)不夠優(yōu)化，而引進(jìn)的溫室大棚控制系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)昂貴，且大棚參數(shù)控制系統(tǒng)大多仍在使用單因子開(kāi)關(guān)量進(jìn)行環(huán)境因子的調(diào)節(jié)，然而溫室內(nèi)實(shí)際的光照、地溫、濕度及CO2濃度等環(huán)境要素相互間彼此關(guān)聯(lián)，如若改變某一環(huán)境因子，時(shí)常會(huì)附帶地影響到其他參數(shù)，把其它環(huán)境因子變到一個(gè)不合適狀態(tài)。因此，如何使得溫室內(nèi)有效參數(shù)可以相互獨(dú)立調(diào)整且不互相影響，結(jié)合溫室內(nèi)蔬菜的生長(zhǎng)模型，物理模型和溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)模式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種與我省溫室種植生產(chǎn)現(xiàn)狀相適應(yīng)的環(huán)境控制優(yōu)化系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用精度較高的各類傳感器件，完全體現(xiàn)了低成本、低功耗、便攜易操作的特點(diǎn)，只需一個(gè)按鈕，農(nóng)戶就能了解和控制自家大棚的溫度、光照強(qiáng)度、空氣濕度等，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)化種植以提高產(chǎn)量。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖（如圖1所示）

（a）采集端結(jié)構(gòu)框圖

（b）顯示端結(jié)構(gòu)框圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 基本工作原理

該系統(tǒng)主要采用達(dá)盛科技EXP-89S51/52/53單片機(jī)CPU板（EXP-KEIL C51 V1.0）與EXP-III通用板配合完成各種應(yīng)用電路擴(kuò)展。系統(tǒng)分為采集端和顯示端，采集端主要借助各種傳感器將采集到的不同參數(shù)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)中處理之后，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將處理結(jié)果發(fā)送至顯示端，顯示端再通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接收數(shù)據(jù)，繼而送入單片機(jī)與當(dāng)前設(shè)置參數(shù)進(jìn)行比較并顯示，若超過(guò)參數(shù)限制，則發(fā)送信號(hào)經(jīng)采集端接收處理后，控制風(fēng)扇等改變大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)裝置，最終達(dá)到溫室大棚的科學(xué)、高效、智能化的管理。[1-2]

3.硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)顯示電路主要采用LCD12864液晶顯示模塊，直觀顯示光照、地溫、濕度及CO2 濃度等參數(shù);數(shù)據(jù)的傳送及接受采用無(wú)線收發(fā)模塊單片射頻收發(fā)芯片nRF905，通過(guò)程序可以方便進(jìn)行配置輸出功率和通信頻道。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用單片集成、單獨(dú)供電、低功耗CMOS數(shù)據(jù)獲取器件PCF8591[5-6]，在電路的連接上相對(duì)簡(jiǎn)單且端口可以靈活運(yùn)用程序控制。

在傳感器的選擇中本著高精度、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)進(jìn)行綜合選擇，DS18B20[3-4]能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，通過(guò)對(duì)上下警界溫度的設(shè)置控制加熱裝置與散熱裝置的循環(huán)交替工作以控制室溫;土壤濕度主要利用濕敏材料吸收空氣中的水分導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度低于設(shè)定下限值時(shí)進(jìn)行灌溉，當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度高于設(shè)定上限值時(shí)，停止灌溉。光照強(qiáng)度主要借助于光敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)，室內(nèi)采用熒光燈作為人工增加光照的光源。熒光燈光譜能量中，紅、橙光占44%-45%，（下轉(zhuǎn)第24頁(yè)）（上接第22頁(yè)）綠、黃光占39%，藍(lán)、紫光占16%，其中能被植物吸收的光能約占輻射光能的75%—80%，比較適合作為增加大棚蔬菜光照光源[7];CO2濃度利用紅外二氧化碳?xì)怏w傳感器MH-711A進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無(wú)氧氣依賴性，性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。系統(tǒng)電路分為采集與顯示兩部分如圖2所示。

4.軟件系統(tǒng)

4.1 軟件執(zhí)行的過(guò)程

采集控制輸出部分：通電復(fù)位后程序開(kāi)始工作，首先初始化傳感器以及nRF905無(wú)線模塊;接著發(fā)送數(shù)包（包含標(biāo)識(shí)與采集數(shù)據(jù)）;接著監(jiān)聽(tīng)信道，等待反饋命令;最后確定信道忙結(jié)束，從nRF905中獲取控制命令，進(jìn)行輸出。

顯示控制命令部分：上電復(fù)位后程序開(kāi)始工作，首先初始化LCD屏幕，顯示歡迎界面，根據(jù)按鍵可以在數(shù)據(jù)顯示模式和參數(shù)設(shè)置模式間切換;默認(rèn)為數(shù)據(jù)顯示模式。當(dāng)進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示模式時(shí)，更新LCD，接著監(jiān)聽(tīng)信道;信道空閑時(shí)，讀取nRF905中的數(shù)據(jù)包，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新顯示;對(duì)比數(shù)據(jù)與臨界值，然后發(fā)送反饋命令數(shù)據(jù)包。當(dāng)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式時(shí)，LCD切換為參數(shù)設(shè)置界面，對(duì)各個(gè)按鍵電平進(jìn)行判斷，根據(jù)電平意義對(duì)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行位置選擇和更新。

4.2 系統(tǒng)程序流程圖（如圖3所示）

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于STC單片機(jī)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各個(gè)模塊電路都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足測(cè)量過(guò)程中各個(gè)參數(shù)精度高和穩(wěn)定性強(qiáng)的要求，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)集軟件編程、硬件設(shè)計(jì)和傳感器技術(shù)為一體且系統(tǒng)整體電路制作成本低廉，便于操作，有較強(qiáng)實(shí)用性。自動(dòng)采集、控制，完全可以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)最優(yōu)化，達(dá)到農(nóng)作物生長(zhǎng)有利條件。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，存在一些問(wèn)題，起初使用模數(shù)轉(zhuǎn)換塊時(shí)，基準(zhǔn)電壓值的不正確造成無(wú)法正常使用;無(wú)線發(fā)送模塊的使用上，開(kāi)始一次傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)，由于使用的器件不具備8字節(jié)傳輸功能，后修改為多次4字節(jié)數(shù)據(jù)包（1字節(jié)包頭3字節(jié)有效數(shù)據(jù)）的分組發(fā)送，電路的功能可以進(jìn)一步擴(kuò)展。

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