基于單片機(jī)農(nóng)業(yè)溫室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田彬彬　朱　亮　孫歆鈺

基于單片機(jī)農(nóng)業(yè)溫室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田彬彬朱亮孫歆鈺

（荊楚理工工學(xué)院湖北荊門448000）

為了增加溫室農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可操控化，文章對生產(chǎn)可調(diào)控設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)厥业臏囟群蜐穸鹊戎笜?biāo)進(jìn)行監(jiān)控的操作系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用以AT89S52 單片機(jī)為中央調(diào)控，應(yīng)用性能優(yōu)越的溫度傳感器和濕度調(diào)控器，通過傳感器對環(huán)境的感知最終實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)溫室溫度和濕度的整體調(diào)控。該系統(tǒng)通過修正溫度和濕度的參考值，實(shí)現(xiàn)對多種農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)環(huán)境溫度和濕度超過正常限度時，該程序會自動進(jìn)行警示，并對中央控制中心發(fā)出警報(bào)，通過中央調(diào)控執(zhí)行各個元件對農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境的修正。

單片機(jī)；農(nóng)業(yè)溫室濕度；監(jiān)控系統(tǒng)

我國是以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)水平和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備相對較為落后，生產(chǎn)工具以及技術(shù)還相對落后，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尚未擺脫粗放型的生產(chǎn)模式。伴隨科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，基于農(nóng)業(yè)作為主的生產(chǎn)大國，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化水平的不斷發(fā)展將是未來制約生產(chǎn)發(fā)展的主要因素，科學(xué)技術(shù)來指導(dǎo)生產(chǎn)發(fā)展是未來的主要趨勢之一，自動化控制水平的逐步完善，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域受到更多的關(guān)注。

1 農(nóng)業(yè)溫室濕度監(jiān)控系統(tǒng)簡介與技術(shù)原理

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)簡介

在現(xiàn)代化作物基礎(chǔ)生產(chǎn)中，溫室設(shè)施作為現(xiàn)代化生產(chǎn)手段，在我國跨季生產(chǎn)有著極其重要的地位。生產(chǎn)的相關(guān)參數(shù)，如生產(chǎn)室溫、濕度等在農(nóng)業(yè)溫室作物的生長中發(fā)揮重要作用，與作物生長周期呈正相關(guān)，溫室環(huán)境的變化和作物的抽芽、開花、結(jié)果、繁育等密切相關(guān)。因此，在溫室環(huán)境下，對各種環(huán)境數(shù)值如溫度、濕度進(jìn)行測試和調(diào)控，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高產(chǎn)出、高效率的重要保證。目前，溫度和濕度的測量和調(diào)控在我國大部分農(nóng)業(yè)溫室中仍以人工操作調(diào)控手段為主，尤其是北方地區(qū)的第四季度，受到環(huán)境以及氣候影響，晝夜氣溫變化差距大，溫度和濕度控制十分困難，不能及時反饋準(zhǔn)確信息，極易導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，作物生長停滯甚至出現(xiàn)死亡等現(xiàn)象，這種情況導(dǎo)致了人力、物力、財(cái)力的重大消耗，作物產(chǎn)出效率大幅下降，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此增強(qiáng)全國范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化控制力度，提升溫室作業(yè)溫度和濕度操控精確度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，采用更嚴(yán)謹(jǐn)、更合理的控制手段，調(diào)整參數(shù)如溫度、濕度符合溫室作物生長，因此農(nóng)業(yè)的溫室溫度和濕度自主調(diào)控程序必須進(jìn)行更快的發(fā)展和普及。

1.2 溫室系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

應(yīng)用單片機(jī)作為農(nóng)業(yè)溫室溫度和濕度的調(diào)控中心，通過實(shí)時環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，對溫室整體環(huán)境進(jìn)行控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室實(shí)時檢查和有效地調(diào)控溫度和濕度。根據(jù)作物生產(chǎn)的要求,對現(xiàn)代化溫室設(shè)備以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)操作簡便，監(jiān)控精準(zhǔn),單片機(jī)調(diào)控系統(tǒng)包含重要參數(shù)如溫度和濕度的實(shí)時調(diào)整和監(jiān)控，確保預(yù)警功能系統(tǒng)的精確度和可操控性、降低生產(chǎn)成本和運(yùn)行穩(wěn)定等。單片機(jī)溫室技術(shù)不僅可以用在溫室種植、作物培育，還可以用于更多要求保持溫度和濕度恒定的生產(chǎn)，如水產(chǎn)養(yǎng)殖等,因此溫室調(diào)控系統(tǒng)的適用范圍非常廣闊，具有極好的發(fā)展前景。

2 單片機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵硬件支持

2.1 單片機(jī)的控制器類型

溫室恒溫恒濕系統(tǒng)選用單片機(jī)作為處理多種參數(shù)的中樞，通過采集傳感器等對環(huán)境溫度以及濕度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，通過A/D交換系統(tǒng)后提交至單片機(jī)進(jìn)行整理，最終運(yùn)算出結(jié)果并顯示在監(jiān)視器上、如出現(xiàn)異常參數(shù)，則啟動警報(bào)線路，通過單片機(jī)處理發(fā)出預(yù)警并進(jìn)行實(shí)時調(diào)控。溫室恒溫恒濕系統(tǒng)的單片機(jī)采用AT89 S52型號，此類單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)多平臺運(yùn)轉(zhuǎn)，操作便利，監(jiān)控平穩(wěn)，成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行采集與整理。

2.2 單片機(jī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及主要技術(shù)支持

單片機(jī)通過采集溫室內(nèi)環(huán)境的基本數(shù)據(jù)，其中包括：空氣溫度、空氣濕度、日光照射時長、照射強(qiáng)度、空氣中氧含量、CO2占比、土壤溫度、土壤濕度、土壤無機(jī)鹽成分及濃度的采集與整理；采集元件對溫室內(nèi)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并對溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時閾值設(shè)定以及數(shù)據(jù)參考運(yùn)算和傳輸；溫室環(huán)境超過設(shè)定閾值，則啟動預(yù)警系統(tǒng)，通過報(bào)警器提示中央控制中心實(shí)時進(jìn)行修正；溫室內(nèi)傳感元件在溫室中運(yùn)行狀態(tài)將實(shí)時顯示于單片機(jī)操控系統(tǒng)監(jiān)視器上?？諝鉁囟仍O(shè)定正常值為 0 ℃~50 ℃之間，誤差不得超過±2 ℃?？諝鉂穸仍O(shè)定正常值為 20 %~90 % RH，誤差不得超過±5 %RH；日光照射時長和陽光收集強(qiáng)度隨著季節(jié)和時間實(shí)時進(jìn)行修正與調(diào)整，通過傳感器反饋到處理中心，當(dāng)光照強(qiáng)度高于閾值時，系統(tǒng)主動做出判斷，并采取遮陽元件；光照強(qiáng)度低于閾值時，系統(tǒng)進(jìn)行反饋并進(jìn)行溫室采光處理；CO2濃度設(shè)定閾值為 0~10 000 ppm；土壤溫度設(shè)定閾值為-30 ℃~70 ℃，誤差不得超過±0.4 ℃；土壤濕度設(shè)定閾值為0 %~100 %，誤差不得超過±3 ％；土壤鹽分濃度設(shè)定閾值為10 ~ 300 mol/mL，誤差不得超過±0.145 mol/mL。系統(tǒng)對以上參數(shù)精確控制，數(shù)據(jù)實(shí)時進(jìn)行上傳和處理，閾值范圍以內(nèi)傳感元件正常運(yùn)行，如發(fā)生超過閾值范圍，傳感元件則啟動第二線路，屆時預(yù)警系統(tǒng)啟動。

2.3 單片機(jī)硬件支持與構(gòu)造

關(guān)于硬件支持的單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造，包括供電系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。供電系統(tǒng)通過單片機(jī)的電源管理設(shè)定開關(guān)，使用多種傳感元件對溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。傳感系統(tǒng)通過單片機(jī)收集環(huán)境參數(shù)，并上傳中樞系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，最后反饋到監(jiān)視器顯示系統(tǒng)，由報(bào)警系統(tǒng)對預(yù)設(shè)的安全閾值進(jìn)行監(jiān)控、在系統(tǒng)中設(shè)定閾值的范圍，和系統(tǒng)內(nèi)元件建立通信，實(shí)現(xiàn)超出閾值后報(bào)警操作，環(huán)境數(shù)據(jù)采集元件同預(yù)警系統(tǒng)連接，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸異常而未發(fā)生警報(bào)啟動的現(xiàn)象。單片機(jī)的硬件系統(tǒng)與中央調(diào)控中樞進(jìn)行關(guān)聯(lián)，硬件系統(tǒng)通過單片機(jī)附屬元件的數(shù)據(jù)采集上傳實(shí)時數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，最終傳輸至中樞系統(tǒng)。A/D轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)系統(tǒng)篩選、采集和處理，處理后的信號通過轉(zhuǎn)化顯示于監(jiān)視器上，并連接報(bào)警系統(tǒng)對超過閾值的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。單片機(jī)采用STC12C5A60S2型號，此型號的單片機(jī)是集中式的處理核心，是具有耗能低、單價低、操作簡易特點(diǎn)的微控制器。單片機(jī)上的某些元件能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)調(diào)控與收集的要求，單片機(jī)微控制器空間程序?yàn)?0 kb，可在大多數(shù)I/O端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，共有36個傳輸線路端口，內(nèi)置一塊大小為1 kEEPROM的數(shù)據(jù)采集元件，采用C語言程序進(jìn)行編寫。

3 單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)

3.1 單片機(jī)數(shù)據(jù)模塊

單片機(jī)通過數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)控與報(bào)警、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

數(shù)據(jù)顯示選擇LM240128 G的監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，LM240128 G監(jiān)視器是一種基于 RA8806 微控制器的 LCD顯示器，RA8806 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)與繪圖功能的點(diǎn)矩陣微機(jī)械顯示器，其中預(yù)設(shè)簡體/繁體中文和 ASCII字體的內(nèi)置軟件，整體屏幕可進(jìn)行八列文字顯示，每一行列能夠容納256 位字節(jié)顯示空間，能夠?qū)崿F(xiàn)4位或8位串行數(shù)據(jù)線，實(shí)現(xiàn)8080 /6800 MPU的兼容連接，此系列對比51系列單片機(jī)，其串行線路通過主行導(dǎo)線對元件進(jìn)行I/O連接，對比同型號產(chǎn)品，該單片機(jī)價格低廉，耗能低，操作簡便，因此廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)之中。

監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)通過繼電器將多個蜂鳴器連接，當(dāng)溫室內(nèi)各個環(huán)境指標(biāo)超過設(shè)定閾值時，單片機(jī)系統(tǒng)的傳感元件與預(yù)警系統(tǒng)的繼電器建立通信，并接通蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。同時，繼電器的環(huán)境參數(shù)收集元件通過上傳實(shí)時數(shù)據(jù)至中樞系統(tǒng)，經(jīng)中樞系統(tǒng)運(yùn)算后反饋合理數(shù)據(jù)，對環(huán)境調(diào)節(jié)元件發(fā)出指令，改善環(huán)境參數(shù)如溫度濕度等，實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊利用TLC1543 型微控制器，通過串行接口連接單片機(jī)，微控制器內(nèi)置14 通道多線路芯片，其中包括 11 個模擬輸入通道和 3 個內(nèi)部通訊通道，在數(shù)據(jù)傳輸過程中能夠選擇其中的任意通道建立通訊。其中11 個模擬輸入通道在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，能夠通過不同信號源運(yùn)算實(shí)時采集的數(shù)據(jù)。3個內(nèi)部通信道具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)精確度高、反應(yīng)誤差小的優(yōu)勢。微控制器通過與單片機(jī)建立通訊，并連接目標(biāo)無線設(shè)備進(jìn)行實(shí)時反饋，反饋途徑可以為有線傳輸途徑，也可以是無線短信傳輸，利用傳輸和微控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與上傳。

3.2 單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件操作系統(tǒng)采用C語言編程，通過建立主程序、數(shù)據(jù)顯示程序、數(shù)據(jù)采集與上傳程序、單位元件操控程序、單位調(diào)控與計(jì)時程序、閾值警示與調(diào)控程序、EEPROM數(shù)據(jù)串聯(lián)程序、環(huán)境預(yù)警程序、中央調(diào)控程序等。當(dāng)各個模塊聯(lián)通后，中央調(diào)控程序完成對整體數(shù)據(jù)的采集。采集數(shù)據(jù)后將處理反饋的數(shù)據(jù)提交至數(shù)據(jù)軟件濾波，進(jìn)行校正處理。校正后的數(shù)據(jù)通過監(jiān)視器顯示在液晶顯示器上，由系統(tǒng)和人工兩種途徑進(jìn)行判斷，判斷環(huán)境參數(shù)是否超過閾值。如超過閾值，則預(yù)警系統(tǒng)啟動進(jìn)行報(bào)警并啟動環(huán)境調(diào)節(jié)元件對超過閾值的參數(shù)進(jìn)行修正，如未發(fā)生參數(shù)超出閾值則繼續(xù)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集。

4 小結(jié)

單片機(jī)農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)，通過自動化的操控和精準(zhǔn)的環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的提升以及農(nóng)村農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，通過樹立以科技興農(nóng)的理念和觀念，完成溫室恒定環(huán)境的控制與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提升了跨季作物生產(chǎn)產(chǎn)量的提升以及生產(chǎn)質(zhì)量的進(jìn)步，通過智能調(diào)控實(shí)現(xiàn)作物量產(chǎn)，為我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展健康、穩(wěn)定、可持續(xù)提供源源不斷的動力。

[1]李佳寶.農(nóng)業(yè)溫室溫濕度智能控制系統(tǒng)中單片機(jī)設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī),2018,49(7):93.

[2]馬東.基于單片機(jī)農(nóng)業(yè)溫室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(6):256-257.

[3]江麗莎,蒙亮,羅漣玲.利用單片機(jī)設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)溫室溫濕度智能控制系統(tǒng)[J].廣西物理,2012,33(1):21-24.

[4]張青嶺.基于單片機(jī)模糊控制的農(nóng)業(yè)溫室無線溫濕度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)[D].南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

田彬彬(1999- )，男，漢族，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)；朱亮(1999- )，男，漢族，河南固始人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)。

S625

A

2095-1205(2020)03-78-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.03.46