溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亭亭等

【摘 要】基于單片機(jī)的溫室大棚智能控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，通過各類傳感器對(duì)溫室內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過單片機(jī)進(jìn)行分析處理及自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，可以消除環(huán)境中溫度，濕度，光照等因素對(duì)生物生長(zhǎng)的限制，使得生物能在最佳狀態(tài)下生長(zhǎng)，提高質(zhì)量和產(chǎn)量。此外，本系統(tǒng)還增加了藍(lán)牙裝置，便于用戶完成遠(yuǎn)程監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】溫室大棚；傳感器；單片機(jī)；藍(lán)牙

0 引言

國(guó)外的溫室設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格昂貴，缺乏與我國(guó)氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件，不利于在我國(guó)廣泛地推廣。當(dāng)今我國(guó)對(duì)大棚溫度、濕度、二氧化碳含量，光照強(qiáng)度的檢測(cè)與控制都采用人工管理，存在測(cè)控不及時(shí)、測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等弊端，大大增加了成本，浪費(fèi)人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。溫室大棚智能溫濕度控制系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、單片機(jī)、溫室內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及無線收發(fā)模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)可完成對(duì)溫室大棚生產(chǎn)過程中的參數(shù)在線高精度測(cè)量，而且能實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)調(diào)溫、灌溉等的智能控制或報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚自動(dòng)實(shí)現(xiàn)保濕、通風(fēng)和光照調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，便于在我國(guó)推廣。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無線溫室大棚智能控制系統(tǒng)[1]，是由STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的下位機(jī)和計(jì)算機(jī)為核心的上位機(jī)組成的。下位機(jī)由相應(yīng)的傳感器系統(tǒng)、單片機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。傳感器系統(tǒng)是溫室系統(tǒng)的輸入檢測(cè)模塊，檢測(cè)各種環(huán)境參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換成溫室控制所需要的電信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、控制精度與傳感器獲得信息的準(zhǔn)確性直接相關(guān)[2]。單片機(jī)系統(tǒng)主要包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、輸出控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，具有溫室數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、上傳等功能，可實(shí)現(xiàn)溫室現(xiàn)場(chǎng)資源的統(tǒng)一管理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括加熱閥、加濕閥、風(fēng)電機(jī)、自動(dòng)卷簾等設(shè)備，單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以啟動(dòng)加溫、降溫、遮陽(yáng)補(bǔ)光等調(diào)控設(shè)備，調(diào)控溫室內(nèi)的氣候環(huán)境。上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)大棚遠(yuǎn)程控制，也可對(duì)大棚數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下：

2 系統(tǒng)具體模塊設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

2.1.1 STC12C5A60S2系列單片機(jī)主要性能

STC12C5A60S2單片機(jī)作為溫室大棚智能控制系統(tǒng)的核心單片機(jī)[3]，是以8051單片機(jī)為內(nèi)核，同時(shí)在8051單片機(jī)的基礎(chǔ)上又增加了很多功能。單片機(jī)內(nèi)部集成了MAX810 專用復(fù)位電路，并且增加了P4口的功能， P4口地址在C0H。支持的外部中斷模式有下降沿喚醒、低電平喚醒、內(nèi)部專用掉電喚醒，計(jì)時(shí)器喚醒等。而且在單片機(jī)內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換口在P1口，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可以達(dá)到25萬次每秒，具有轉(zhuǎn)換速度高、低功耗的特點(diǎn)，作為本系統(tǒng)的主控芯片非常合適。

2.2 傳感器

2.2.1 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11通過SCK線、DATA線和單片機(jī)串行通信，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線，時(shí)鐘線SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步。DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4ms左右，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：

8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和本系統(tǒng)中，當(dāng)空氣中的溫濕度高于或低于所設(shè)定的值時(shí)，紅色指示燈亮，當(dāng)溫濕度過高時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作，打開天窗；當(dāng)溫濕度過低時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)充。符合標(biāo)準(zhǔn)后，紅色發(fā)光二極管熄滅。

2.2.2 土壤濕度傳感器

YL-69型土壤濕度傳感器是一種簡(jiǎn)易的水分傳感器，可用于檢測(cè)土壤的水分，當(dāng)土壤缺水時(shí)，模塊輸出一個(gè)高電平，反之輸出低電平。本系統(tǒng)中，YL-69土壤濕度傳感器工作時(shí)電源指示燈為紅色，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定范圍時(shí)，綠色發(fā)光二極管亮，同時(shí)繼電器動(dòng)作，此時(shí)只要把土壤濕度傳感器浸入水中，濕度達(dá)標(biāo)，LED燈熄滅。

2.2.3 光照強(qiáng)度傳感器

GY-30光照強(qiáng)度傳感器采用ROHM原裝的BH1750FVI芯片以及兩線式串行總線接口的集成電路，這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化。本系統(tǒng)中，當(dāng)光照沒有達(dá)到設(shè)定值時(shí)，白色發(fā)光二極管亮，需要補(bǔ)光；光照達(dá)標(biāo)后，白色發(fā)光二極管熄滅。

2.2.4 煙霧傳感器

MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)亦很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。環(huán)境中CO2濃度越大，電導(dǎo)率越大，MQ-2型煙霧傳感器輸出電阻越低。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)MQ-2煙霧傳感器檢測(cè)到CO2濃度不符合所設(shè)定的范圍時(shí)，紅色發(fā)光二極管亮，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙是一種無線電技術(shù)，利用藍(lán)牙技術(shù)能夠有效地簡(jiǎn)化通信終端設(shè)備之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，其傳輸速率為1Mb/S。本系統(tǒng)采用HC-06藍(lán)牙模塊，該模塊內(nèi)置

2.4GHz天線，功率可調(diào)，靈敏度可達(dá)80dBm，滿足系統(tǒng)要求。

2.4 液晶顯示模塊

Nokia5110液晶顯示器采用LPH7366模塊，具有很多的特點(diǎn)：84x48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字，采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有9條。支持多種串行通信協(xié)議，傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時(shí)間。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語言模塊化編程方式，將系統(tǒng)的整體功能分為不同的模塊，各個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試、完成之后進(jìn)行系統(tǒng)的總體聯(lián)調(diào)。本系統(tǒng)由主程序，系統(tǒng)初始化、信號(hào)采集、顯示、控制、通信、報(bào)警、按鍵掃描等子程序組成。

4 小結(jié)

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光照量等環(huán)境參數(shù)的采集，并通過單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制，創(chuàng)造出適合作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境。遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)了溫室大棚現(xiàn)場(chǎng)采集端和遠(yuǎn)程控制端的相互通信，使溫室大棚的管理更加趨于現(xiàn)代化。該系統(tǒng)功耗低、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫凱.基于單片機(jī)的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（8）：101-103.

[2]褚向前，朱武.溫室溫度多傳感器數(shù)據(jù)融合[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（4）：180-185.

[3]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]