基于單片機(jī)的溫室大棚溫濕度集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志豪

摘 要：目前的溫室大棚存在環(huán)境參數(shù)讀取的自動(dòng)化程度較低且不準(zhǔn)確，人力消耗大等問題。為解決上述問題本文提出了一種基于單片機(jī)的大棚溫濕度集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)由單片機(jī)和多個(gè)AM2301傳感器構(gòu)成下位機(jī)，在對(duì)環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的同時(shí)，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)中進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)。人機(jī)交互系統(tǒng)界面具有數(shù)據(jù)顯示的功能，可以精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出溫度、濕度變化曲線，便于人工監(jiān)測(cè)。多次試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有節(jié)省人力、反應(yīng)迅速、操作簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；單片機(jī)；人機(jī)交互系統(tǒng)；環(huán)境監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我國(guó)具有上萬(wàn)年的農(nóng)業(yè)發(fā)展史，隨著科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室大棚的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為人們創(chuàng)造了許多經(jīng)濟(jì)效益。而在溫室大棚的管理中最重要的就是對(duì)環(huán)境參數(shù)的控制。所以溫室大棚的溫濕度控制的改進(jìn)迫在眉睫。目前，我國(guó)的溫室大棚在應(yīng)用上仍存在以下問題：大棚中采用人工來(lái)控制大棚的溫度，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精確度極低，不能使作物處于最合適的環(huán)境，為了解決上述問題，本文提出了一種基于單片機(jī)的大棚溫濕度集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)能通過下位機(jī)單元對(duì)溫度、濕度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)在VC環(huán)境下搭建交互界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)溫室大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)顯示的功能。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由多個(gè)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)傳輸單元和上位機(jī)系統(tǒng)三大部分組成。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

溫度、濕度是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的主要環(huán)境指標(biāo)，系統(tǒng)采用了多個(gè)傳感器完成了數(shù)據(jù)的采集。每一個(gè)溫室大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)采集單元對(duì)環(huán)境參數(shù)采集后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)上位機(jī)。上位機(jī)中的交互軟件在接收到數(shù)據(jù)后予以顯示。另外，在設(shè)計(jì)的過程中考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，系統(tǒng)的各個(gè)部分都進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，便于針對(duì)不同作物的需要對(duì)不同環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及通用性。

2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由于STC89S52單片機(jī)具有體積小，造價(jià)低，接口資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，所以選其作為下位機(jī)中央處理芯片。針對(duì)溫室大棚中，環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，上下位機(jī)之間的通信采用串口通信，穩(wěn)定可靠。選擇AM2301溫濕度傳感器作為溫濕度的檢測(cè)原件，它具有測(cè)量范圍廣、分辨率高、精度高、采用單線制進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送等特點(diǎn)，更便于系統(tǒng)集成。

串口通信是系統(tǒng)中的重要技術(shù)。串口按位（bit）收發(fā)數(shù)據(jù)。雖然相對(duì)于并行通信其速率較慢，但是它可以同時(shí)用兩根線就可以完成數(shù)據(jù)的收發(fā)?？梢砸赃@種簡(jiǎn)單的方式完成遠(yuǎn)距離通信。通信需要3根線來(lái)完成，分別是接受、地線、和發(fā)送。其他線用于握手，但并不是必須的。串口通信主要的通信參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位。兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，上述參數(shù)必須完全匹配。

3.上位機(jī)交互系統(tǒng)

程序軟件是基于Microsoft Visual C++ 6.0編寫的MFC程序，主要用于濕度、溫度數(shù)據(jù)的接收與顯示。采用串口通信，將濕度、溫度分為濕度整數(shù)部分，濕度小數(shù)部分，溫度整數(shù)部分，溫度小數(shù)部分，以及校驗(yàn)位共5byte的數(shù)據(jù)接收過來(lái)進(jìn)行結(jié)算。采用MFC進(jìn)行程序界面的編寫與顯示。使用picture控件實(shí)現(xiàn)了示波器對(duì)濕度與溫度的示波器動(dòng)態(tài)顯示，按照時(shí)間的變化動(dòng)態(tài)顯示溫度與濕度的當(dāng)前數(shù)值。示波器的繪制先建立一個(gè)picture控件，定義一個(gè)定時(shí)器，對(duì)對(duì)話框類編寫一個(gè)對(duì)于定時(shí)器消息處理函數(shù)，每次定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到，進(jìn)入中斷函數(shù)中，會(huì)在picture控件中重新繪制示波器圖片，使人看起來(lái)就是動(dòng)態(tài)顯示濕度與溫度。使用picture控件實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管對(duì)濕度與溫度的示波器動(dòng)態(tài)顯示，按照時(shí)間的變化動(dòng)態(tài)顯示溫度與濕度的當(dāng)前數(shù)值。

數(shù)碼管的繪制先建立一個(gè)picture控件，在資源bitmap中插入需要的0～9已經(jīng)編輯好的數(shù)字以及小數(shù)點(diǎn)、負(fù)號(hào)等特殊符號(hào)的位圖資源。定義一個(gè)定時(shí)器，對(duì)對(duì)話框類編寫一個(gè)對(duì)于定時(shí)器消息處理函數(shù)，每次定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到，進(jìn)入中斷函數(shù)中，會(huì)在picture控件中重新繪制數(shù)碼管圖片，使人看起來(lái)就是動(dòng)態(tài)顯示濕度與溫度的準(zhǔn)確數(shù)值。程序運(yùn)行之后，點(diǎn)擊連接按鈕，程序就會(huì)顯示傳感器測(cè)量到的濕度與溫度。用戶界面如圖2所示。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在室內(nèi)模擬溫室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元對(duì)室內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)利用吹風(fēng)機(jī)來(lái)模擬溫度變化，利用噴壺來(lái)改變傳感器附近的濕度。采用串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將收集到的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)人機(jī)交互界面顯示如圖2所示。圖中結(jié)果表明，該溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較為靈敏的對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行檢測(cè)和顯示。

結(jié)論

本系統(tǒng)由多個(gè)單片機(jī)和外圍傳感器構(gòu)成下位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度等環(huán)境參數(shù)的采集。同時(shí)通過上位機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)界面對(duì)溫室大棚中溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)溫室大棚同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控、顯示的功能。經(jīng)大量試驗(yàn)表明：本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的顯示環(huán)境溫濕度。具有操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏、自動(dòng)化程度高、可擴(kuò)展性好和便于集中監(jiān)控等特點(diǎn)，基本可以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

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