陸彥如，魏海峰

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212003)

國(guó)內(nèi)外在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境檢測(cè)方面的研究已有很多成果，且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用。劉冠雄等[1]根據(jù)環(huán)境溫度、濕度等相關(guān)因子，設(shè)計(jì)了溫室的結(jié)構(gòu)以及加熱加濕裝置，但未涉及到降溫、除濕等，有待進(jìn)一步優(yōu)化。楊正君[2]針對(duì)機(jī)房設(shè)計(jì)了一種基于GPRS的自動(dòng)溫濕度控制系統(tǒng)，但風(fēng)機(jī)、空調(diào)設(shè)備較大，耗能還是較大。寧欣等[3]和邵鵬等[4]介紹了如何監(jiān)測(cè)和采集溫濕度，但未提及如何進(jìn)行相關(guān)處理與改善。田芳明等[5]介紹了基于PIC的溫濕度采集系統(tǒng)，采用無(wú)線傳輸方式，降低了功耗，節(jié)約了空間，但沒有很好的保證系統(tǒng)的抗干擾性。一些專家針對(duì)溫室大棚進(jìn)行了環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)研究，但都未具體說明針對(duì)采集結(jié)果應(yīng)如何采取措施[6～8]。王海昌等[9]介紹了以PS1016為核心的日光溫室綜合生態(tài)環(huán)境自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)，新穎但管理技術(shù)難度還是較大。還有一些專家分別采用不同技術(shù)與方法，研制了具有溫度自動(dòng)控制、測(cè)量等功能的系統(tǒng)[10～13]，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性，但只涉及對(duì)溫度的監(jiān)控，未進(jìn)一步對(duì)其它環(huán)境因素進(jìn)行研究。

水稻育種的整個(gè)過程中，對(duì)環(huán)境要求較為苛刻，其關(guān)鍵就在于控制溫濕度。因此，筆者綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等新技術(shù)，設(shè)計(jì)一種用于水稻浸種催芽的、新型的環(huán)境溫濕度多路測(cè)控系統(tǒng)，滿足當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，彌補(bǔ)以往水稻在浸種催芽過程中溫濕度難以控制或精度不高的缺點(diǎn)，以期縮短育種時(shí)間、促進(jìn)種子發(fā)芽、提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要包括：一是系統(tǒng)溫度和濕度采集端設(shè)計(jì)，二是系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳端設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)大致又可分為三大部分：進(jìn)行溫濕度采集的從機(jī)部分，與從機(jī)通信的主控機(jī)部分，與主控機(jī)相互傳輸數(shù)據(jù)的上位機(jī)部分。其中，每個(gè)從機(jī)都有屬于自身的一個(gè)唯一的地址，都先通過無(wú)線通信(多對(duì)一形式)與主微控制器實(shí)行溫濕度值的傳輸，主微控制器再和上位機(jī)通過串行口實(shí)行溫濕度的傳輸。

圖1為水稻育種房的溫濕度采集端框圖。本系統(tǒng)側(cè)重于對(duì)水稻育種環(huán)境中的溫度和濕度進(jìn)行穩(wěn)定的控制，在這個(gè)系統(tǒng)(從機(jī)部分)中又分為兩部分：輸入和輸出。其中，輸入部分主要是傳感器對(duì)溫濕度的采集，初始值的設(shè)定；而輸出部分主要是對(duì)采集到的溫濕度進(jìn)行顯示，指示燈、蜂鳴器的響應(yīng)，相應(yīng)繼電器的動(dòng)作反應(yīng)。因?yàn)檩敵隽糠答伒搅溯斎攵耍瑢?duì)輸入端產(chǎn)生影響，所以，這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 水稻育種環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的溫濕度采集端框圖

如圖2所示，數(shù)據(jù)上傳端，即主控室。溫濕度采集端電路從測(cè)量點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，然后通過無(wú)線傳輸?shù)街鱉CU，主控單片機(jī)發(fā)送控制指令，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整理并發(fā)送給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的溫濕度的檢測(cè)、調(diào)節(jié)和控制。

圖2 水稻育種環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳端框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)分為溫濕度采集端設(shè)計(jì)和溫濕度上傳端設(shè)計(jì)兩大部分，都以單片機(jī)STC89C52最小系統(tǒng)為核心，數(shù)據(jù)采集部分需要在STC89C52最小系統(tǒng)外圍再配備上溫濕度采集電路、鍵盤輸入電路、顯示輸出電路、無(wú)線接收電路、報(bào)警電路，數(shù)據(jù)上傳部分需要在STC89C52最小系統(tǒng)外圍再配備上無(wú)線發(fā)送電路和串口通信電路。

設(shè)計(jì)過程：溫濕度傳感器DHT11采集并檢測(cè)環(huán)境中的溫濕度后傳輸給單片機(jī)STC89C52，然后把所采集到的數(shù)值做處理。一方面，送達(dá)液晶顯示屏LCD12864進(jìn)行顯示，并與事先設(shè)置值比較，如采集到的數(shù)據(jù)不在設(shè)定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)中的蜂鳴器鳴叫，指示燈點(diǎn)亮，與此同時(shí)對(duì)應(yīng)的裝置(加熱電阻絲，降溫風(fēng)扇，加濕器，除濕器)執(zhí)行自身功能來調(diào)整環(huán)境的溫濕度，直到環(huán)境參數(shù)恢復(fù)到設(shè)定值為止；另一方面，利用無(wú)線通信模塊，通過nRF905芯片接受數(shù)據(jù)，再把溫濕度值傳送到主MCU，然后經(jīng)由串行口傳遞到PC機(jī)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為溫濕度采集端程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)接收端程序設(shè)計(jì)兩大部分，具體分為8個(gè)模塊。采用了C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言結(jié)合的方式，互相彌補(bǔ)不足，在開發(fā)環(huán)境方面，采用Keil uVision3編譯器。

3.1 主程序模塊設(shè)計(jì)

首先使單片機(jī)系統(tǒng)初始化，然后通過調(diào)用溫濕度測(cè)量、鍵盤、液晶顯示、無(wú)線收發(fā)等子程序模塊，來完成育種環(huán)境中溫濕度的測(cè)量、顯示與處理，然后實(shí)時(shí)的發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端，若參數(shù)值不在設(shè)定范圍內(nèi)則輸出執(zhí)行控制信號(hào)(圖3)。實(shí)現(xiàn)主控機(jī)調(diào)用無(wú)線通信子程序接收來自溫濕度采集端發(fā)送來的溫濕度值，以及調(diào)用串口通信子程序把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)(圖4)。

3.2 溫濕度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

通過DHT11采集環(huán)境多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫濕度，實(shí)時(shí)傳遞給分控單片機(jī)，以引起液晶顯示屏的顯示、執(zhí)行繼電器的動(dòng)作、無(wú)線通信的接受與傳輸?shù)取?/p>

3.3 鍵盤模塊設(shè)計(jì)

通過按鍵顯示相關(guān)設(shè)定值、檢測(cè)值和實(shí)時(shí)的時(shí)間，按“1”鍵1次可更改溫度設(shè)定值(按“3”鍵實(shí)行加的功能，按“4”鍵實(shí)行減的功能)，按“1”鍵第2次可更改濕度設(shè)定值(同上)，按“2”鍵顯示測(cè)量的實(shí)時(shí)溫濕度值。

圖4 水稻育種環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳端主程序流程

3.4 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

通過調(diào)用時(shí)鐘子程序以及溫濕度測(cè)量子程序顯示相應(yīng)時(shí)間、溫濕度設(shè)定值、溫濕度測(cè)量值等。

3.5 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合按鍵程序，通過按鍵程序設(shè)定溫濕度初始值，報(bào)警程序?yàn)樵O(shè)定值上下的一個(gè)范圍之外的報(bào)警(本次設(shè)計(jì)中設(shè)定上、下波動(dòng)均為10)。測(cè)量得到的溫濕度參數(shù)值位于設(shè)定范圍內(nèi)則相關(guān)裝置不產(chǎn)生任何輸出控制動(dòng)作；測(cè)量得到的溫濕度參數(shù)值超出范圍，即環(huán)境參數(shù)值異常，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲并且伴隨著相應(yīng)指示燈發(fā)光。

圖3 水稻育種環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的溫濕度采集端主程序流程

3.6 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

由于溫濕度檢測(cè)點(diǎn)超過30個(gè)，即使在同一環(huán)境下也會(huì)有不同情況發(fā)生，本次設(shè)計(jì)的時(shí)鐘信息包括年月日時(shí)分秒，并且時(shí)鐘程序函數(shù)用于主程序的調(diào)用。

3.7 執(zhí)行輸出模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)測(cè)量的溫濕度值超出設(shè)定的初始值，相應(yīng)的裝置開啟工作模式(升溫、降溫、加濕、除濕)。

3.8 通信模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信：實(shí)現(xiàn)分MCU與主MCU的通信，即接受數(shù)據(jù)采集端(育種房)的信息然后發(fā)送到主控機(jī)。

串口通信：采用異步串口通信方式，在數(shù)據(jù)上傳端中完成主控單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸(利用RS- 232接口，將數(shù)據(jù)按順序逐位傳送給PC機(jī))。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

通過示波器去觀察分析相關(guān)波形以排除故障，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，以得知繼電器工作狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到的溫濕度超過或低于設(shè)定的初始值，繼電器進(jìn)入工作狀態(tài)，常開觸點(diǎn)閉合。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

接通電源，按下開始按鍵，進(jìn)入初始界面，延時(shí)幾秒后，可進(jìn)行溫濕度初始值設(shè)定，按下“1”鍵，按1次可更改溫度設(shè)定值，按第2次可更改濕度設(shè)定值，期間，可按“3”鍵、“4”鍵進(jìn)行溫濕度設(shè)定值的加減操作。

例如，設(shè)定溫度初始值為38 ℃，濕度初始值為39%，時(shí)鐘初始值為01:13:30。然后按下確定鍵(“2”鍵)，切換顯示界面，顯示檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫濕度，當(dāng)溫濕度值不在設(shè)定范圍內(nèi)則報(bào)警系統(tǒng)開啟，并且繼電器開始工作，來控制相應(yīng)裝置執(zhí)行自身功能使參數(shù)值恢復(fù)到初始設(shè)定值。如圖6所示，檢測(cè)到實(shí)時(shí)濕度為41%，溫度為31 ℃，當(dāng)濕度高于設(shè)定值，溫度低于設(shè)定值，則開啟除濕、加熱模式，而且因?yàn)闇y(cè)量值均在設(shè)定值±10以內(nèi)，所以報(bào)警系統(tǒng)未開啟。

圖5 水稻育種環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的繼電器工作界面 圖6 水稻育種環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示

5 結(jié) 論

本次設(shè)計(jì)圍繞水稻育種環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)做相關(guān)研究，以單片機(jī)STC89C52為控制核心，結(jié)合DHT11溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并顯示，當(dāng)采集到的參數(shù)值不在設(shè)定范圍內(nèi)系統(tǒng)做出報(bào)警反映并采取相應(yīng)控制措施的功能。該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、抗干擾性、可靠性，在一定程度上提高了經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)價(jià)值以及市場(chǎng)前景。

[1] 劉冠雄,李愛傳.水稻浸種催芽溫室單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].民營(yíng)科技,2015(6):227.

[2] 楊正君.基于GPRS的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2012,40(6):72- 77.

[3] 寧欣,苗青林,李曉敏.基于單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(4):75- 77.

[4] 邵鵬.基于單片機(jī)的空調(diào)溫度測(cè)試測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,33(4上):30- 31.

[5] 田芳明,楊麗茹,金松海,等.基于PIC單片機(jī)的分布式無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2011,23(1):79- 82.

[6] 王巍,譚峰.溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2012,24(4):76- 79.

[7] 李敏,曾明,孟臣,等.溫室大棚單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2003,15(1):47- 51.

[8] 張萬(wàn)里,高偉.AD574在大棚溫室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2014,249(12):1 648- 1 651.

[9] 王海昌,楊莉.PS1016單片機(jī)在日光溫室綜合生態(tài)環(huán)境自動(dòng)化調(diào)控中的應(yīng)用研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,18(3):274- 277.

[10] 周正,梁春英,劉坤,等.基于Wi- Fi的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(4):105- 110.

[11] 劉蘇英,許枚.單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,28(12下):71- 72.

[12] 王憲偉.多點(diǎn)溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2005,15(4):11- 13,30.

[13] 于雷.基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2011,21(8):28- 30.