基于單片機的日光溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)

郭佳盛，邢婷婷

（福建農(nóng)林大學(xué) 東方學(xué)院信息工程系，福建 福州 350125）

隨著單體溫室到連棟溫室的發(fā)展，溫室內(nèi)需要控制的參數(shù)不斷增加，對溫室提出了新的要求。本設(shè)計利用核心單片機實現(xiàn)遠程控制溫室各參數(shù)調(diào)節(jié)，通過現(xiàn)場控制系統(tǒng)實現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示、分析和處理，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)和返回的控制命令利用無線通訊技術(shù)進行傳輸，解決了溫室中總線布局的技術(shù)難點，為植物營造一個良好的生長環(huán)境。

1 需求分析

與大型現(xiàn)代溫室不同，普通的溫室控制系統(tǒng)由于其自身的結(jié)構(gòu)和特性而具有相對有限的可控環(huán)境因素。在這個階段，大多數(shù)的溫室調(diào)控系統(tǒng)使用的方法是手動或簡單的機械操作。因此，可以通過單片機技術(shù)，按照預(yù)先設(shè)定的理想值來實時的對溫度、濕度以及土壤水分等參數(shù)進行調(diào)控，給作物營造一個最適合生長的環(huán)境，提高溫室系統(tǒng)的生產(chǎn)。

2 功能設(shè)計與實現(xiàn)

本項目的設(shè)計是一個日光溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以單片機作為控制核心，通過傳感器對溫室內(nèi)各參數(shù)進行檢測，如土壤水分、空氣濕度、日照強度等。數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換后將所測參數(shù)傳輸給核心單片機，并與預(yù)先設(shè)置好的理想值進行比較，當所測參數(shù)超出理想范圍時，進行聲光報警器并給出控制命令，直到將參數(shù)調(diào)整到最佳理想范圍內(nèi)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

該項目為基于AT89C51單片機的溫室遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)包括主體控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、土壤水分檢測模塊、二氧化碳檢測模塊、報警模塊等。本系統(tǒng)將溫度檢測設(shè)置為優(yōu)先級，當檢測到溫度超出預(yù)先設(shè)定的理想值范圍時，自動打開天窗和適當?shù)睦_或關(guān)閉帷幕，并通過聲光報警器及時提醒。

圖1 技術(shù)路線

2.2 硬件設(shè)計

（1）溫度檢測模塊。溫度檢測模塊主要是對溫室內(nèi)的溫度進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸給核心單片機，由單片機判斷所測溫度是否處于設(shè)定范圍。該系統(tǒng)的溫度傳感器采用價格相對實惠的PN結(jié)溫度傳感器，該傳感器具有良好的線性度和穩(wěn)定性，測量范圍為-55°C～150°C，滿足本系統(tǒng)對溫度檢測的要求。

（2）濕度檢測模塊。本系統(tǒng)的濕度檢測模塊使用金屬氧化物濕度傳感器來進行濕度采集，濕度引起電阻的變化率均極大，滯后特性小，且感濕范圍涵蓋了1%RH的低濕度到100%RH的高濕度。另外，該傳感器對溫度的敏感度低，能在150℃的范圍內(nèi)檢測，因此溫度穩(wěn)定性高，所測數(shù)據(jù)更加準確。

（3）土壤水分檢測模塊。濕度檢測模塊主要是對溫室內(nèi)空氣濕度進行檢測，而對于溫室，土壤水分的檢測也同樣重要。當前使用的檢測方法各有優(yōu)缺點，本系統(tǒng)使用電阻式土壤濕度傳感器，傳感器的測試值為-7.5 kPa～10 MPa的范圍，通過土壤濕度與傳感器輸出電阻之間的相關(guān)性，得到土壤濕度的測量值。精度達到0.3，頻率參數(shù)在傳輸過程中不易受干擾，但本系統(tǒng)采用電阻式傳感器足矣。

（4）二氧化碳檢測模塊。二氧化碳檢測模塊主要是對溫室系統(tǒng)內(nèi)的二氧化碳濃度進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊，該系統(tǒng)主要是通過MH-Z14紅外二氧化碳傳感器進行檢測，該傳感器可控量程在0～5000 ppm，而可控精準度為±75 ppm，量程及精準度可以滿足該系統(tǒng)。

（5）報警模塊。本系統(tǒng)的報警模塊采用LED燈與蜂鳴器進行聲光報警。當系統(tǒng)檢測到任一參數(shù)超出設(shè)定值范圍時，對應(yīng)參數(shù)的LED燈亮起，顯示溫室內(nèi)哪個參數(shù)異常，同時蜂鳴器響起，引起溫室管理人員的注意。當溫室內(nèi)檢測參數(shù)均在設(shè)定的理想值范圍內(nèi)時，兩者均表現(xiàn)正常并且不做任何改變。

（6）數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要利用CP2200芯片將溫室系統(tǒng)內(nèi)各個傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行分析并傳輸給單片機，等待單片機做出判斷，單片機將判斷后發(fā)出的命令通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸給各設(shè)備，實現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

2.3 軟件設(shè)計

本設(shè)計軟件部分包括主程序設(shè)定模塊、溫度控制程序、濕度控制程序、土壤水分含量控制程序、二氧化碳濃度控制程序，保證系統(tǒng)軟件的可拓展性可修改性。

（1）主程序設(shè)定。各個程序控制模塊按照模塊內(nèi)規(guī)定時間進行檢測，將所得到的數(shù)據(jù)傳輸給核心單片機進行分析，若沒有超出或者低于預(yù)設(shè)值范圍，則等待進行下一次的數(shù)據(jù)檢測；當其中數(shù)據(jù)不滿足預(yù)設(shè)值范圍時，則按照設(shè)定的優(yōu)先級進行工作，其中溫度的優(yōu)先級最高，濕度次之，再者土壤水分含量，最后為二氧化碳濃度。當檢測的參數(shù)有兩個或多個不滿足條件時，按照優(yōu)先等級執(zhí)行相應(yīng)中斷程序。

（2）溫度控制程序構(gòu)件。溫度控制程序采用定時器將時間設(shè)定為一分鐘，單片機初始化后每一分鐘通過傳感器對溫室內(nèi)溫度進行檢測，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機進行分析。當下次檢測在設(shè)定范圍內(nèi)時，恢復(fù)原始設(shè)置，若再次測量仍不在設(shè)定范圍內(nèi)，由單片機給出下步命令。若單片機初始化后檢測數(shù)據(jù)在設(shè)定范圍內(nèi)則等待一分鐘到達再次循環(huán)檢測。

（3）濕度控制程序構(gòu)件。濕度控制程序采用定時器將時間設(shè)定為兩分鐘，單片機初始化后每兩分鐘通過傳感器對溫室內(nèi)濕度進行檢測，由單片機對采集數(shù)值進行處理。若所測數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)值，則單片機給出命令，打開遮光布利用光照降低室內(nèi)的濕度；若低于預(yù)設(shè)值則適當?shù)氖褂眉訚裱b置對空氣進行加濕，待恢復(fù)預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)則恢復(fù)原始設(shè)置；若所測數(shù)據(jù)處于預(yù)設(shè)值則等待下一次檢測。

（4）土壤水分控制程序構(gòu)件。土壤水分含量控制程序采用定時器將時間設(shè)定為十分鐘，傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸給單片機進行分析。當土壤水分含量超過預(yù)估值時，停止對土壤的水分供給，當?shù)陀陬A(yù)設(shè)值時，按計算好的供給量給土壤供水，使得土壤含水量處于設(shè)置范圍內(nèi)，若土壤含水量在預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)則等待下一次的循環(huán)檢測。

（5）二氧化碳濃度控制程序構(gòu)件。二氧化碳濃度控制程序采用定時器將時間設(shè)定為五分鐘，當測量值超出設(shè)定范圍時，單片機給出命令，控制打開換氣裝置，適當注入氧氣，使得空氣中的二氧化碳濃度下降，保持在設(shè)置的范圍內(nèi)。若當時的二氧化碳濃度保持在預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)則保持狀態(tài)等待下一次的循環(huán)檢測。

3結(jié)語

本文介紹了日光溫室環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。實現(xiàn)了溫室內(nèi)溫度、濕度、土壤濕度、二氧化碳等因素的自動控制。本文是以AT89C51單片機作為核心的控制系統(tǒng)，成本低，運行可靠，可有效提高日光溫室所帶來的生產(chǎn)效率，同時也降低資本。但是由于客觀條件和時間的限制，本課題的研究還存在很多不足，很多方面需要進一步提高。