摘要：針對(duì)一般農(nóng)戶(hù)和中、小設(shè)施農(nóng)業(yè)企業(yè)溫室環(huán)境控制的需求，以單片機(jī)為智能控制核心，研究開(kāi)發(fā)了手動(dòng)控制和自動(dòng)控制相結(jié)合的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)溫室作物生長(zhǎng)需要，實(shí)現(xiàn)滴灌、噴灌、通風(fēng)、LED補(bǔ)光、加溫等調(diào)控方式的智能化操作。以番茄幼苗為測(cè)試樣本，為期20 d的應(yīng)用性能測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、控制性能好，能有效促進(jìn)番茄幼苗的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：溫室環(huán)境；傳感器；單片機(jī)；控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）09-2238-04

中國(guó)溫室環(huán)境控制發(fā)展比較成熟，先后經(jīng)歷了“手動(dòng)控制—機(jī)械控制—分散電動(dòng)控制—集中電子控制—計(jì)算機(jī)集成控制”這樣幾個(gè)發(fā)展階段，目前已經(jīng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制時(shí)代。但是，從陜西省楊凌示范區(qū)、陜西省內(nèi)及國(guó)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用較為廣泛的區(qū)域看，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的智能溫室只能是大型現(xiàn)代化溫室能夠應(yīng)用的奢侈品，一般農(nóng)戶(hù)的簡(jiǎn)易大棚，中小農(nóng)業(yè)企業(yè)的中、小型溫室根本用不起自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，因此研發(fā)可靠又廉價(jià)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)極具現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)陜西省楊凌示范區(qū)各類(lèi)型溫室的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)于溫室環(huán)境控制的需求差別很大。一般農(nóng)戶(hù)的簡(jiǎn)易溫室甚至不需要控制，只需要對(duì)諸如溫度過(guò)高或過(guò)低的極限狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并能夠及時(shí)報(bào)警即可。小型規(guī)模的溫室只需要簡(jiǎn)單的控制，如滴灌、噴灌、通風(fēng)、加熱、補(bǔ)光等需求。鑒于此，以微控制器為智能模塊，研發(fā)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、效果良好的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)是非常有必要的。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)、停止3種工作狀態(tài)，由狀態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于“停止”時(shí)，系統(tǒng)不工作，自動(dòng)、手動(dòng)操作都不起作用。當(dāng)自動(dòng)部分故障或在檢修調(diào)試階段，可將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”，再通過(guò)手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于“自動(dòng)”時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的智能控制。

自動(dòng)控制部分以微控制器為核心元件，控制器接收空氣溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度等傳感器監(jiān)測(cè)到的溫室環(huán)境信號(hào)，將其與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)參數(shù)不滿(mǎn)足要求時(shí)，控制器輸出指令啟動(dòng)加溫?zé)?、補(bǔ)光燈、通風(fēng)機(jī)、噴灌水泵、滴灌水泵等執(zhí)行設(shè)備工作，調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)；當(dāng)參數(shù)達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，控制器發(fā)出指令，停止執(zhí)行設(shè)備的工作。如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境溫度、空氣濕度、土壤濕度、植物光照度等植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)需要。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 主要硬件電路

控制系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括微控制器模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、報(bào)警模塊以及手動(dòng)控制模塊等，主要硬件電路如圖2所示。

控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)為主控制芯片。STC89C52是宏晶公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能、超強(qiáng)抗干擾的CMOS8位微處理器，具有8 kB的可編程Flash存儲(chǔ)器，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷等功能，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)，但做了很多的改進(jìn)使得芯片性能比普通單片機(jī)更加優(yōu)越，使得以STC89C52為核心的嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活方便[1，2]。

溫度傳感器采用DS18B20，它占用的I/O口線很少，變換的速度較快，能夠直接讀出環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，而不需要其他的電源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)[3，4]；濕度傳感器傳采用國(guó)產(chǎn)的數(shù)字溫濕度一體傳感器AM2301，其內(nèi)部包括一個(gè)濕度檢測(cè)元件和一個(gè)溫度檢測(cè)元件，能夠自動(dòng)輸出校準(zhǔn)過(guò)的數(shù)字信號(hào)，傳輸距離可達(dá)20 m以上，同時(shí)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，與單片機(jī)I/O口單總線連接[5，6]；光照傳感器及土壤濕度傳感器通過(guò)感光感濕器件將光照及土壤濕度變化轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)量傳遞給單片機(jī)，直接與單片機(jī)的單片機(jī)I/O口連接，圖2設(shè)計(jì)了4路傳感器接口，分別是Sersor_01、Sersor_02、Sersor_03、Sersor_04。

顯示器采用微功耗12864液晶模塊，用于顯示溫濕度及光照度等信息，其數(shù)據(jù)線DB0～DB7與單片機(jī)的P0口相連，VDD接高電平，VO為調(diào)節(jié)屏幕的亮度，RS為命令數(shù)據(jù)選擇端、R/W為讀寫(xiě)控制端、E為使能端[7]。

鍵盤(pán)作為人機(jī)交互的設(shè)備，是用戶(hù)輸入各種數(shù)據(jù)和命令的必需途徑，通過(guò)鍵盤(pán)的輸入實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期的功能，本控制系統(tǒng)選用的是紅外遙控鍵盤(pán)，通過(guò)遙控器對(duì)單片機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，紅外接收部分采用VS1838一體化萬(wàn)能接收頭接收鍵值信息，通過(guò)外部中斷口P3.2與單片機(jī)連接。

2.2 電源電路

STC89C52RC單片機(jī)一般采用5 V直流電源，所以需要將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)? V直流電源，電源由交流220 V進(jìn)入，經(jīng)過(guò)變壓器將電壓降到9 V，再通過(guò)1N4007二極管構(gòu)成的橋式電路進(jìn)行整流，接著用電解電容C4和獨(dú)石電容C5濾波，然后再用三端穩(wěn)壓器7805使電壓穩(wěn)定在DC 5V，最后再次濾波，得到穩(wěn)定的5 V直流電源，電路如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序是單片機(jī)控制系統(tǒng)必不可少的部分，其主要用于協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作，使各個(gè)模塊工作有序，保證程序周而復(fù)始地可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化，通過(guò)主程序可以一目了然地了解系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)通電后，首先對(duì)單片機(jī)、中斷、液晶模塊等進(jìn)行初始化，然后判斷鍵盤(pán)標(biāo)志位，根據(jù)鍵盤(pán)標(biāo)志位確定程序的流向，若鍵盤(pán)標(biāo)志位為1，則程序進(jìn)入溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和處理階段，單片機(jī)采集溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度等信息，數(shù)據(jù)經(jīng)處理和濾波后，通過(guò)液晶模塊顯示出來(lái)，然后再經(jīng)過(guò)智能判斷，判斷環(huán)境參數(shù)是否超限，輸出控制信號(hào)控制執(zhí)行設(shè)備對(duì)大棚溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)；若鍵盤(pán)標(biāo)志位不為1，則說(shuō)明程序進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，接收遙控鍵盤(pán)（遙控器）輸入的鍵值設(shè)置參數(shù)，參數(shù)設(shè)置完畢后返回主界面。

4 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

4.1 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)制作完成后，參照楊凌地區(qū)實(shí)際溫室大棚建筑特點(diǎn)，按照一定的比例設(shè)計(jì)制作了微型溫室，模擬實(shí)際的溫室大棚。該微型溫室長(zhǎng)1.2 m，寬0.8 m，高1.7 m；前墻和側(cè)墻皆采用8 mm的亞克力板；后墻為承重結(jié)構(gòu)，采用的是強(qiáng)度較高的硬塑板；蓋板采用3 mm的亞克力板，具有良好的彈性和透光性；底板采用角鋼固定，并且?guī)в谢?，方便移?dòng)。最后安裝控制器、電源開(kāi)關(guān)、端子排、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及執(zhí)行設(shè)備（包括加熱燈、微型風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、噴灌水泵及滴灌水泵等），執(zhí)行設(shè)備皆為220 V小功率交流設(shè)備，安裝完畢后的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)如圖5所示。

4.2 實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

控制系統(tǒng)安裝完成后，在該溫室中種植溫室作物，測(cè)試控制系統(tǒng)應(yīng)用性能。此次測(cè)試中，選擇生長(zhǎng)速度相對(duì)較快的番茄幼苗作為測(cè)試樣本，檢驗(yàn)系統(tǒng)的有效性和實(shí)用價(jià)值。

測(cè)試過(guò)程中，選擇同樣品種的番茄幼苗，一處普通種植，一處在溫室種植。普通種植，即按照一般的種植過(guò)程，不施加其他影響；溫室種植，將植物放在微型溫室中，按照番茄生長(zhǎng)要求設(shè)置參數(shù)，讓系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行和控制。

兩處幼苗在生長(zhǎng)過(guò)程中供給相同的水、肥。測(cè)試時(shí)間從2014年8月20日至2014年9月8日，為期20 d。每5 d記錄一次普通種植、溫室種植幼苗的生長(zhǎng)情況，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，溫室中的番茄幼苗明顯比同期普通種植的番茄幼苗長(zhǎng)勢(shì)要好。經(jīng)過(guò)20 d的生長(zhǎng)測(cè)試，普通種植幼苗平均株高為18.0 cm，平均莖粗3.9 mm；溫室中番茄幼苗平均株高為19.6 cm，平均莖粗4.3 mm；溫室番茄幼苗株高比普通種植高8.9%，莖粗比普通種植粗10.3%，因此可以認(rèn)為，該控制系統(tǒng)能夠有效促進(jìn)番茄幼苗的生長(zhǎng)。

5 小結(jié)

根據(jù)陜西省楊凌地區(qū)溫室大棚實(shí)際情況，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)控制、超限報(bào)警等功能，可以通過(guò)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)需要，能夠節(jié)省人力物力，提高溫室運(yùn)行的自動(dòng)化。測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能有效促進(jìn)溫室作物的生長(zhǎng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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