梁 鑫，張?chǎng)斡睿贩f剛，趙繼政，張 磊

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科技的發(fā)展，觀賞農(nóng)業(yè)、休閑農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)，成為農(nóng)業(yè)的最新發(fā)展領(lǐng)域[1-2]。屋頂農(nóng)場(chǎng)、室內(nèi)農(nóng)業(yè)、陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)、墻體農(nóng)業(yè)，是都市農(nóng)業(yè)的主要研究?jī)?nèi)容[3-5]，其中，陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)在城市居民中廣受歡迎[6-7]。目前，大多數(shù)陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)仍主要靠人工管理，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力。因此，筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款成本低、功能全的陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)的目標(biāo)功能，其自動(dòng)控制系統(tǒng)包括：溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊、空氣濕度監(jiān)測(cè)及控制模塊、土壤濕度監(jiān)測(cè)及控制模塊、光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)及控制模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊。系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示[3-4,6-7]。選用SCT89C52單片機(jī)核心控制芯片，選用DHT11數(shù)字輸出式溫濕度傳感器檢測(cè)空氣溫度和濕度，選用YL-69傳感器檢測(cè)土壤濕度，選用BH1750光照傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度，傳感器采集的環(huán)境信息后，通過(guò)LCD1602液晶顯示屏顯示。同時(shí)，傳感器采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒?，與設(shè)置的環(huán)境參數(shù)閾值進(jìn)行比較。當(dāng)某環(huán)境參數(shù)值超過(guò)閾值時(shí)，LED燈亮，進(jìn)行報(bào)警提示，控制外置設(shè)備啟動(dòng)，進(jìn)行調(diào)控。系統(tǒng)選用植物生長(zhǎng)燈增加溫度和光照強(qiáng)度，選用風(fēng)扇降低溫度和空氣濕度，選用加濕器增加空氣濕度，選用水泵增加土壤濕度，直至該參數(shù)值達(dá)到合理范圍后，LED燈關(guān)閉。

圖1　系統(tǒng)整體框架Fig.1　System framework

2　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器DHT11的通信方式為單總線方式，DATA口與單片機(jī)的P1.0連接，將測(cè)得的空氣溫濕度，以數(shù)字方式傳送給單片機(jī)。土壤濕度傳感器YL-69的電極片，可以使?jié)穸刃盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖綌?shù)字信號(hào)，土壤濕度越大，獲取的模擬量值越小。光照傳感器BH1750共有5個(gè)端口，用時(shí)只需接其中的4個(gè)，SCL時(shí)鐘線和SDA數(shù)據(jù)線分別連接到單片機(jī)的P1.3和P1.4上，用于傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，采用LCD1602，其與單片機(jī)的P0口連接，接收單片機(jī)處理后的參數(shù)數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)前環(huán)境的空氣溫度和濕度值、土壤濕度、光照強(qiáng)度以及按鍵設(shè)定的各參數(shù)閾值[8-9]。

系統(tǒng)主控電路采用SCT89C52的最小系統(tǒng)，這里不再贅述。用于改變參數(shù)閾值大小的按鍵，分為設(shè)置、增加、減小3個(gè)按鍵，分別與單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.4連接。設(shè)置鍵用來(lái)切換要改變的閾值的種類，增加鍵和減小鍵用于閾值設(shè)置。其中，按鍵時(shí)，光照強(qiáng)度閾值每次改變50 lx，溫度閾值每次改變1 ℃，空氣濕度和土壤濕度每次改變1%。

繼電器用于控制植物生長(zhǎng)燈、風(fēng)扇、加濕器和水泵的開(kāi)關(guān)，其電路原理如圖2所示。P2是KF128-2P端子，用來(lái)連接外設(shè)。LED用于參數(shù)值不符合閾值范圍時(shí)的報(bào)警。

圖2　繼電器電路Fig.2　Relay circuit

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作的整體流程如圖3所示，單片機(jī)讀取參數(shù)檢測(cè)電路數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示在LCD1602上，檢測(cè)按鍵是否按下，如果是，進(jìn)入按鍵所代表的功能程序中去，然后再進(jìn)行參數(shù)判斷，比較檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值，判斷是否超出設(shè)定閾值，若超出，則控制外接設(shè)備啟動(dòng)，調(diào)控各參數(shù)，否則繼續(xù)檢測(cè)。

圖3　系統(tǒng)軟件流程Fig.3　System software flow

LCD1602顯示程序如圖4所示。LCD是分塊的8×8點(diǎn)陣，顯示時(shí)根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行定位，再?gòu)淖謳?kù)里提取所需要的符號(hào)進(jìn)行顯示，由定位顯示結(jié)合按鍵控制。

圖4　LCD1602顯示程序流程Fig.4　LCD1602 display program flow

鍵盤掃描程序流程如圖5所示。Key1為設(shè)置鍵，根據(jù)按鍵次數(shù)，分別對(duì)應(yīng)8種按鍵模式，模式功能如表1所示。當(dāng)按下Key1的次數(shù)大于等于8，次數(shù)計(jì)數(shù)變?yōu)?，返回按鍵模式0。Key2對(duì)應(yīng)增加鍵，使相應(yīng)的閾值增加；Key3對(duì)應(yīng)減小鍵，使相應(yīng)的閾值減小。

圖5　鍵盤掃描程序流程Fig.5　Keyboard scanning program flow

編號(hào)No.模式Mode功能Function10顯示當(dāng)前光照強(qiáng)度、空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度的值21溫度上限閾值可改變32濕度上限閾值可改變43溫度下限閾值可改變54濕度下限閾值可改變65土壤濕度上限閾值可改變76光照下限閾值可改變87土壤濕度下限閾值可改變

參數(shù)控制模塊程序流程如圖6所示。用戶根可據(jù)植物生長(zhǎng)的要求，在單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器中設(shè)定4個(gè)參數(shù)閾值，系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)將會(huì)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，超出閾值范圍，則進(jìn)入報(bào)警調(diào)控模式，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控。外界環(huán)境處于植物的生長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)時(shí)，植物處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境。

圖6　參數(shù)控制模塊程序流程Fig.6　Parameter control module program flow

報(bào)警調(diào)控及外置設(shè)備控制的中斷程序流程如圖7所示。報(bào)警調(diào)控，包括LED燈的亮、滅，外置設(shè)備的啟動(dòng)與停止。4個(gè)報(bào)警燈，分別對(duì)應(yīng)空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度4個(gè)參數(shù)，當(dāng)傳感器數(shù)值不滿足閾值時(shí)，報(bào)警模塊及外部設(shè)備啟動(dòng)，并開(kāi)始參數(shù)調(diào)控，直到報(bào)警信號(hào)解除。

程序中的定時(shí)器中斷0服務(wù)程序，是為了在環(huán)境參數(shù)異常的時(shí)候，控制外置設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。檢測(cè)進(jìn)入中斷后，首先關(guān)閉總中斷和外部INT0中斷，然后判斷是否有來(lái)自傳感器的低電平信號(hào)，若是，則開(kāi)啟定時(shí)器0，結(jié)束此次中斷，否則返回繼續(xù)檢測(cè)。

圖7　外置設(shè)備控制中斷程序流程Fig.7　External device control interrupt program flow

最終設(shè)計(jì)的陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)如圖8所示。

圖8　陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)Fig.8　Balcony farm environment control system

4　結(jié)語(yǔ)

該研究設(shè)計(jì)的陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、顯示及自動(dòng)調(diào)控。系統(tǒng)可檢測(cè)21%～91%內(nèi)的空氣濕度，誤差范圍±5%；0～50 ℃的空氣溫度，誤差范圍±2 ℃；光照測(cè)量范圍為1～65 535 lx；土壤濕度的測(cè)量范圍為1%～100%。該設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單、成本低廉，使普通人就可以實(shí)現(xiàn)陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)管理，并實(shí)現(xiàn)科學(xué)種養(yǎng)殖。但系統(tǒng)在功能的多樣性和自動(dòng)化的程度上仍有很大的不足，比如沒(méi)有遠(yuǎn)程調(diào)控功能和除病蟲害的功能，這些缺點(diǎn)將在后續(xù)的研究中進(jìn)行改進(jìn)。

[1] 陳靜,張騫,淮賀舉,等.鄭州市城市農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與創(chuàng)新發(fā)展模式策略研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2017,38(3):7-13.

[2] 蔡淑芳,陳敏.新生代白領(lǐng)的城市陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)種植意愿及影響因素研究[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì),2014,30(3)：52-55,58.

[3] 高銳濤,楊洲,曹玉華,等.陽(yáng)臺(tái)蔬菜種植設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2013,30(5)：16-18.

[4] 陳娜,陳立平,李斌,等.陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)立體栽培自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014(1):127-131.

[5] 胡廣宇.陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)園藝文摘,2017,33(6):38-39，144.

[6] 馬偉,王秀,姜?jiǎng)P,等.溫室智能裝備系列之五十八 設(shè)施陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)水肥一體化裝備技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù):溫室園藝,2014(6):36.

[7] 付少明,滕光輝,李志忠,等.基于Labview的光照環(huán)境控制器智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國(guó)蔬菜,2016(9):71-76.

[8] 馮澍,盛慶華,陳潔,等.適用于陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)的智能植物聯(lián)網(wǎng)看護(hù)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2016, 35(18):35-38.

[9] 吳國(guó)娟,張潤(rùn)久,高默雷,等.陽(yáng)臺(tái)植株養(yǎng)護(hù)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,20(1):112-114.