園藝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張千宇

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

0 引 言

設(shè)施園藝是使用某些人工相關(guān)設(shè)施、采用控制技術(shù)對農(nóng)作物環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)控，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不完全受自然的氣候和土壤的條件限制，滿足農(nóng)作物具有最佳的生長環(huán)境，提高植物的生長周期、增加產(chǎn)量的的管理方式。設(shè)施園藝實(shí)際上就是將農(nóng)業(yè)工程技術(shù)和生物技術(shù)及農(nóng)作物環(huán)境控制技術(shù)結(jié)合起來，提供農(nóng)作物最佳的生長環(huán)境，達(dá)到農(nóng)業(yè)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的效果，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的集約化，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必要組成部分，也是各國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最為活躍的產(chǎn)業(yè)。

大型溫室具有資金投入少、土地使用效率高，適合實(shí)行機(jī)械化自動(dòng)管理和產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；a(chǎn)，溫室內(nèi)溫度變化小、日溫差穩(wěn)定，有利于對環(huán)境進(jìn)行控制等優(yōu)點(diǎn)。隨著溫室規(guī)模趨于大型化發(fā)展，對于設(shè)施環(huán)境調(diào)節(jié)和控制控設(shè)備和技術(shù)要求更高，計(jì)算機(jī)電子信息技術(shù)、農(nóng)作物栽培管理技術(shù)、環(huán)境因素自動(dòng)采集等新技術(shù)都將成為未來設(shè)施園藝研究的熱點(diǎn)。

溫室園藝主要是能夠控制設(shè)施內(nèi)栽培環(huán)境因素，提供適合作物生育條件，所以，未來的人工智能控制系統(tǒng)能夠做到對于農(nóng)作物栽培環(huán)境自動(dòng)化控制，同時(shí)和天文氣象站、種苗公司、病蟲害測報(bào)等相互連接，完成產(chǎn)值、產(chǎn)量的預(yù)測，為生產(chǎn)者提供有價(jià)值的信息情報(bào)及決策提供確切的依據(jù)。

本文通過分布式溫濕度傳感器和無線組網(wǎng)方式對園藝環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)匯集和傳輸。在技術(shù)構(gòu)建上，以嵌入式智能硬件為核心，將智能溫濕度數(shù)據(jù)采集與短距離無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，通過單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)園藝環(huán)境信息采集和信息傳輸。采集的信息接入上位機(jī)，上位機(jī)再根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)情況采取相應(yīng)措施。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)工作原理為：微控制器首先通過溫濕度傳感器模塊獲取園藝環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，再通過藍(lán)牙無線傳輸模塊將上述數(shù)據(jù)無線發(fā)送至上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并在主機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

微控制器是系統(tǒng)控制核心，由于園藝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要進(jìn)行園藝環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的讀取以及無線通信信號(hào)的發(fā)送和接收，對于系統(tǒng)的是實(shí)時(shí)性要求很高，且系統(tǒng)運(yùn)算大，因此選擇意法半導(dǎo)體的Arduino微控制器，其電路圖如圖1所示。該芯片有512 KB片內(nèi)FLASH，64 K片內(nèi)RAM，最高允許頻率達(dá)72 MHz，片內(nèi)多達(dá)11個(gè)計(jì)數(shù)器，從而可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖1 Arduino電路圖

2.2 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)選擇DHT11作為溫濕度傳感器，DHT11典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 DHT11典型應(yīng)用電路

2.3 供電單元

供電單元為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，供電電路如圖3所示。

圖3 電源模塊

此系統(tǒng)中采用5 V鋰電池供電，而硬件設(shè)備中要求+5 V和+3.3 V的電源，因此需要設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路，使用+5 V電源作為ASM1117-3.3 V穩(wěn)壓器的輸入端，最大可提供1 A的電流值，電感L1和L2令模擬電源隔離，VDDA端輸出+3.3 V模擬電源，VSSA端為模地。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式程序設(shè)計(jì)

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4 ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。軟件利用labview開發(fā)平臺(tái)。數(shù)據(jù)記錄單元的基本流程為，將溫濕度數(shù)據(jù)分別存入預(yù)先設(shè)置的數(shù)組中，待一組數(shù)據(jù)全部存入數(shù)組后，將數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入電子表格，再將該子程序置于while循環(huán)中，并在此while循環(huán)中設(shè)置200 ms的延時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)每隔200 ms對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次監(jiān)聽，改變預(yù)設(shè)的延遲時(shí)間，即可改變數(shù)據(jù)記錄頻率。

圖4 上位機(jī)流程圖

連接硬件，配置數(shù)據(jù)采集裝置的串口號(hào)，并將數(shù)據(jù)采集裝置串口的波特率設(shè)置為9 600，點(diǎn)擊“打開串口”，即可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測。上位機(jī)運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面

5 結(jié) 論

隨著無線技術(shù)傳輸技術(shù)及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，在某些農(nóng)作物生長環(huán)境較復(fù)雜的區(qū)域，如果采用有線傳輸方式的進(jìn)行布線及數(shù)據(jù)的傳輸非常繁瑣尤其在偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的條件下會(huì)表現(xiàn)出許多不足，如果采用無線傳輸方式可以很好地解決相關(guān)問題，在監(jiān)測點(diǎn)較多和不斷改變采集位置的場合具有簡單方便的優(yōu)點(diǎn)。

本文進(jìn)行了園藝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，通過智能硬件技術(shù)構(gòu)建溫濕度智能傳感器，基于短距離無線電技術(shù)組網(wǎng)并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，在主機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策等，完成了對溫度參數(shù)采集要先得到現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)，采用溫度傳感器能完成對農(nóng)作物生長溫度參數(shù)的采集及處理。