孟凡奧 何豪 劉曉蕓 張凌飛

【摘要】為提高溫室大棚內蔬菜的產(chǎn)量，及時掌握棚內溫度、土壤濕度、CO2濃度和光照強度等參數(shù)，并進行實時測控，本文介紹一種基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng)的結構、功能和原理，通過設定不同時期作物生長所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，從而實現(xiàn)溫室大棚科學、智能化、高效率的管理。

【關鍵詞】產(chǎn)量;測控;傳感器;最佳環(huán)境參數(shù);智能化

Abstract：In order to improve the production of vegetables in the greenhouse，to grasp temperature，soil humidity，concentration of carbon dioxide and intensity of illumination in greenhouse promptly and real-time monitoring.This paper describes the structure，function and principle of a intelligent greenhouse control system based on microcontroller.by setting the best environment parameters for different periods of crop growth to achieve greenhouse science，intelligent，efficient management.

Keywords：production;measuring and controlling;sensor;best environmental parameter;intelligent

1.引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的發(fā)展，人們日常生活水平的不斷提高，新鮮蔬菜的需求量也日益增長。然而，面對當前人口多，人均耕地面積逐漸減少的現(xiàn)實，如何提高蔬菜產(chǎn)量顯得尤為重要。目前農戶在進行大棚種植過程中運用自行研制的控制系統(tǒng)不夠優(yōu)化，而引進的溫室大棚控制系統(tǒng)運行費用相對昂貴，且大棚參數(shù)控制系統(tǒng)大多仍在使用單因子開關量進行環(huán)境因子的調節(jié)，然而溫室內實際的光照、地溫、濕度及CO2濃度等環(huán)境要素相互間彼此關聯(lián)，如若改變某一環(huán)境因子，時常會附帶地影響到其他參數(shù)，把其它環(huán)境因子變到一個不合適狀態(tài)。因此，如何使得溫室內有效參數(shù)可以相互獨立調整且不互相影響，結合溫室內蔬菜的生長模型，物理模型和溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟模式，設計開發(fā)出一種與我省溫室種植生產(chǎn)現(xiàn)狀相適應的環(huán)境控制優(yōu)化系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用精度較高的各類傳感器件，完全體現(xiàn)了低成本、低功耗、便攜易操作的特點，只需一個按鈕，農戶就能了解和控制自家大棚的溫度、光照強度、空氣濕度等，從而實現(xiàn)科學化種植以提高產(chǎn)量。

2.系統(tǒng)結構

2.1 系統(tǒng)的結構框圖（如圖1所示）

（a）采集端結構框圖

（b）顯示端結構框圖

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2.2 基本工作原理

該系統(tǒng)主要采用達盛科技EXP-89S51/52/53單片機CPU板（EXP-KEIL C51 V1.0）與EXP-III通用板配合完成各種應用電路擴展。系統(tǒng)分為采集端和顯示端，采集端主要借助各種傳感器將采集到的不同參數(shù)，通過模數(shù)轉換送入單片機中處理之后，通過無線收發(fā)模塊將處理結果發(fā)送至顯示端，顯示端再通過無線收發(fā)模塊接收數(shù)據(jù)，繼而送入單片機與當前設置參數(shù)進行比較并顯示，若超過參數(shù)限制，則發(fā)送信號經(jīng)采集端接收處理后，控制風扇等改變大棚內環(huán)境參數(shù)裝置，最終達到溫室大棚的科學、高效、智能化的管理。[1-2]

3.硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)顯示電路主要采用LCD12864液晶顯示模塊，直觀顯示光照、地溫、濕度及CO2 濃度等參數(shù);數(shù)據(jù)的傳送及接受采用無線收發(fā)模塊單片射頻收發(fā)芯片nRF905，通過程序可以方便進行配置輸出功率和通信頻道。模數(shù)轉換采用單片集成、單獨供電、低功耗CMOS數(shù)據(jù)獲取器件PCF8591[5-6]，在電路的連接上相對簡單且端口可以靈活運用程序控制。

在傳感器的選擇中本著高精度、穩(wěn)定性好、價格低廉等特點進行綜合選擇，DS18B20[3-4]能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，通過對上下警界溫度的設置控制加熱裝置與散熱裝置的循環(huán)交替工作以控制室溫;土壤濕度主要利用濕敏材料吸收空氣中的水分導致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。當檢測到土壤濕度低于設定下限值時進行灌溉，當檢測到土壤濕度高于設定上限值時，停止灌溉。光照強度主要借助于光敏電阻內光電效應，室內采用熒光燈作為人工增加光照的光源。熒光燈光譜能量中，紅、橙光占44%-45%，（下轉第24頁）（上接第22頁）綠、黃光占39%，藍、紫光占16%，其中能被植物吸收的光能約占輻射光能的75%—80%，比較適合作為增加大棚蔬菜光照光源[7];CO2濃度利用紅外二氧化碳氣體傳感器MH-711A進行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩(wěn)定、壽命長。系統(tǒng)電路分為采集與顯示兩部分如圖2所示。

4.軟件系統(tǒng)

4.1 軟件執(zhí)行的過程

采集控制輸出部分：通電復位后程序開始工作，首先初始化傳感器以及nRF905無線模塊;接著發(fā)送數(shù)包（包含標識與采集數(shù)據(jù)）;接著監(jiān)聽信道，等待反饋命令;最后確定信道忙結束，從nRF905中獲取控制命令，進行輸出。

顯示控制命令部分：上電復位后程序開始工作，首先初始化LCD屏幕，顯示歡迎界面，根據(jù)按鍵可以在數(shù)據(jù)顯示模式和參數(shù)設置模式間切換;默認為數(shù)據(jù)顯示模式。當進入數(shù)據(jù)顯示模式時，更新LCD，接著監(jiān)聽信道;信道空閑時，讀取nRF905中的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)進行更新顯示;對比數(shù)據(jù)與臨界值，然后發(fā)送反饋命令數(shù)據(jù)包。當進入?yún)?shù)設置模式時，LCD切換為參數(shù)設置界面，對各個按鍵電平進行判斷，根據(jù)電平意義對參數(shù)設置進行位置選擇和更新。

4.2 系統(tǒng)程序流程圖（如圖3所示）

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

5.結束語

本系統(tǒng)的設計主要基于STC單片機，在系統(tǒng)設計過程中對各個模塊電路都進行了優(yōu)化設計，以滿足測量過程中各個參數(shù)精度高和穩(wěn)定性強的要求，系統(tǒng)的設計集軟件編程、硬件設計和傳感器技術為一體且系統(tǒng)整體電路制作成本低廉，便于操作，有較強實用性。自動采集、控制，完全可以實現(xiàn)大棚內環(huán)境參數(shù)最優(yōu)化，達到農作物生長有利條件。在整個系統(tǒng)設計的過程中，存在一些問題，起初使用模數(shù)轉換塊時，基準電壓值的不正確造成無法正常使用;無線發(fā)送模塊的使用上，開始一次傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)，由于使用的器件不具備8字節(jié)傳輸功能，后修改為多次4字節(jié)數(shù)據(jù)包（1字節(jié)包頭3字節(jié)有效數(shù)據(jù)）的分組發(fā)送，電路的功能可以進一步擴展。

參考文獻

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