余金永，李玉琴

基于多傳感器融合結(jié)合單片機(jī)在溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)中的應(yīng)用探究＊

余金永，李玉琴

（廣西城市職業(yè)大學(xué)，廣西 崇左 532200）

隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們也越來越重視農(nóng)業(yè)技術(shù)的提高。農(nóng)業(yè)技術(shù)的提高可以有效提高農(nóng)作物的生產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也是國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)，關(guān)系著國(guó)家的綜合實(shí)力，因此農(nóng)業(yè)技術(shù)的提高對(duì)于國(guó)家發(fā)展來說是非常重要的。中國(guó)農(nóng)業(yè)溫棚環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)利用范圍大、成本較高，因此溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)的提高對(duì)于農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。從溫棚技術(shù)的概述、溫棚環(huán)境控制技術(shù)的現(xiàn)狀、溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、硬件控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及調(diào)試等方面展開論述，以期給相關(guān)的研究人員及工作人員提供一些切實(shí)可行的建議。

多傳感器；單片機(jī)；溫棚；環(huán)境控制系統(tǒng)

1 引言

中國(guó)的溫棚環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)面向的對(duì)象主要是大規(guī)模的溫棚，對(duì)于小型及中小型的農(nóng)業(yè)溫棚并不適用，并且溫棚環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)的成本較高，普通農(nóng)業(yè)工作人員很難支付得起。

51單片機(jī)在環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)中性價(jià)比較高，可以利用溫度傳感器對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行感知、收集并控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚內(nèi)溫度的自動(dòng)控制。

本次研究的控制系統(tǒng)由6個(gè)模塊組成，分別是51單片機(jī)基本系統(tǒng)模塊、溫濕度采集模塊、光照強(qiáng)度采集模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在適宜的條件下農(nóng)作物的生長(zhǎng)質(zhì)量和產(chǎn)量都有所提高，而溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫棚內(nèi)溫度的自動(dòng)檢測(cè)與控制，從而為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供了適宜的環(huán)境，并且本系統(tǒng)對(duì)于中型及小型規(guī)模的農(nóng)業(yè)溫棚同樣適用。

2 大棚溫室技術(shù)的概述

大棚溫室技術(shù)可以改變植物的生長(zhǎng)環(huán)境，為植物生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境，保護(hù)植物使其在生長(zhǎng)過程中不受外界天氣及惡劣環(huán)境的影響。

溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫棚環(huán)境的控制，對(duì)環(huán)境中的一些參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與控制，這些參數(shù)主要包括溫度、濕度、土壤的濕潤(rùn)程度、氧氣及二氧化碳的濃度等。

溫棚的環(huán)境與農(nóng)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育及能量物質(zhì)交換的聯(lián)系都是很密切的，溫棚環(huán)境的自動(dòng)化控制是實(shí)現(xiàn)溫棚生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證。

3 中國(guó)溫棚環(huán)境控制技術(shù)的現(xiàn)狀

截至目前，中國(guó)與農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的溫棚環(huán)境控制還存在不小的差距。這些國(guó)家的溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制層面，而中國(guó)的溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)仍然比較落后，特別是環(huán)境系統(tǒng)的自動(dòng)控制方面，并且此系統(tǒng)只能適用于大規(guī)模的溫棚環(huán)境。

中國(guó)中型及小型的農(nóng)業(yè)溫棚仍然依靠人工進(jìn)行環(huán)境控制，其工作強(qiáng)度很大且溫棚環(huán)境控制的效果并不理想。近年來，中國(guó)的中型及小型的溫棚在環(huán)境的自動(dòng)控制方面成本投入比較高、環(huán)境控制效果不盡人意、溫棚環(huán)境很容易受到外界環(huán)境的影響，因此溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)在中型及小型的溫棚中難以得到有效利用。

4 針對(duì)中國(guó)溫棚環(huán)境控制技術(shù)的現(xiàn)狀提出相關(guān)對(duì)策

針對(duì)中國(guó)溫棚環(huán)境控制技術(shù)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種成本低、性能高的溫棚環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。本文的研究對(duì)象是性價(jià)比較高的51單片機(jī)的核心部件，采用光強(qiáng)、溫度、濕度等采集模塊及上下調(diào)溫控制模塊來檢測(cè)溫室內(nèi)的環(huán)境狀況，并探究影響植物生長(zhǎng)的環(huán)境因素。本文中設(shè)計(jì)的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)可以將溫室內(nèi)的環(huán)境狀況通過LCD顯示屏及時(shí)地顯示出來，如果環(huán)境超過規(guī)定的范圍，就會(huì)帶動(dòng)自動(dòng)報(bào)警裝置，并能夠自動(dòng)采取相應(yīng)的解決措施。

5 溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)并研究的溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)中，利用光照傳感器BH1750FVI采集光照參數(shù)，利用數(shù)字式溫度傳感器DHT11采集溫度、濕度信息，然后傳給單片機(jī)，單片機(jī)將信息處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)傳給LCD1602顯示屏，從而將實(shí)際的環(huán)境信息在顯示屏上顯示出來。系統(tǒng)中默認(rèn)的最低溫度為15 ℃，最高溫度為35 ℃；最低濕度為55%，最高濕度為75%。不同農(nóng)作物在生長(zhǎng)的不同階段需要的環(huán)境也有很大的不同，在實(shí)際的棚溫環(huán)境控制過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況擬定合理的環(huán)境控制范圍。在實(shí)際的工作過程中，如果溫棚內(nèi)的溫度小于15 ℃，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)開啟加熱燈補(bǔ)光增溫，以提高溫棚內(nèi)的溫度；如果溫棚內(nèi)的溫度大于35 ℃，系統(tǒng)就會(huì)通過濕風(fēng)扇排氣，以降低溫棚內(nèi)的溫度，從而達(dá)到自動(dòng)控制的作用，濕度與溫度控制同理。

6 硬件控制系統(tǒng)

6.1 單片機(jī)芯片STC89C51

單片機(jī)芯片STC89C51具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，其主要功能有如下幾個(gè)方面：一般控制應(yīng)用的8位單芯片；內(nèi)部程式存儲(chǔ)器為4 KB；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為128 B；外部程序存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至64 KB；32條雙向輸入輸出線，每條線都可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制；5個(gè)中斷向量源；兩組獨(dú)立的16位定時(shí)器；一個(gè)全雙工串行通信端口。

6.2 DHT11溫濕度采集模塊

DHT11溫濕度采集模塊主要運(yùn)用溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字采集技術(shù)，保證產(chǎn)品的可靠性、卓越性和穩(wěn)定性，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。

6.3 BH1750FVI光照強(qiáng)度采集模塊

BH1750FVI光照強(qiáng)度采集模塊可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來檢測(cè)環(huán)境，BH1750FVI是一種兩線式串行總線接口的集成電路，具有分辨率高的特點(diǎn)，并且可以應(yīng)用于大范圍的光照強(qiáng)度變化檢測(cè)。

6.4 溫度顯示模塊

溫度顯示模塊采用字符型液晶顯示技術(shù)，主要用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等數(shù)據(jù)。

6.5 按鍵模塊

本次研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中有三個(gè)獨(dú)立按鍵，分別記為S1、S2、S3。S1表示菜單鍵，按第一次進(jìn)入限定最高溫度輸入模式；按第二次進(jìn)入限定最低溫度輸入模式；按第三次結(jié)束循環(huán)，返回當(dāng)前溫度顯示。S2是溫度上調(diào)按鍵。S3為溫度下調(diào)按鍵，用于手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度。

6.6 溫度自動(dòng)控制模塊

本次設(shè)計(jì)中溫度設(shè)定在15～35 ℃之間，當(dāng)溫度高于35 ℃時(shí)，單片機(jī)的控制信號(hào)是繼電器控制強(qiáng)電系統(tǒng)啟動(dòng)強(qiáng)點(diǎn)降溫電路，以降低大棚內(nèi)的氣溫；當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)，單片機(jī)的信號(hào)控制繼電器啟動(dòng)強(qiáng)電加熱電路，以提高大棚內(nèi)的氣溫。

7 實(shí)現(xiàn)及調(diào)試

7.1 主程序流程

程序的主要流程如下：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后對(duì)大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度、溫度、濕度進(jìn)行采集。其次觀察鍵盤信息是否已經(jīng)輸入，如果已經(jīng)輸入需要更新溫度上下限參數(shù)設(shè)定；如果沒有輸入就要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又分為兩部分，觀察收集的數(shù)據(jù)中溫度是否在規(guī)定范圍內(nèi)，如果在規(guī)定的范圍內(nèi)，重新進(jìn)行光照強(qiáng)度、溫度、濕度等信息的收集；如果不在規(guī)定的范圍內(nèi)，就自動(dòng)啟動(dòng)降溫或增溫模塊對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

7.2 調(diào)試說明

本次系統(tǒng)由C語言編寫并調(diào)試，在調(diào)試的過程中，需要先設(shè)定大棚內(nèi)的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，這時(shí)排氣扇、熱光燈不工作。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到大棚內(nèi)溫度大于35 ℃時(shí)，報(bào)警器啟動(dòng)報(bào)警裝置，排氣扇開始工作，直到大棚內(nèi)的氣溫降到規(guī)定范圍內(nèi)，排氣扇停止工作；當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到大棚內(nèi)溫度低于15 ℃時(shí)，報(bào)警器同樣啟動(dòng)報(bào)警裝置，熱光燈開始工作，直到大棚內(nèi)溫度提升到規(guī)定范圍內(nèi)，熱光燈停止工作。

8 結(jié)語

針對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)溫棚自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了性價(jià)比高的51單片機(jī)溫棚自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)在光照強(qiáng)度、溫度、濕度等信息的收集過程中還存在不足之處，需要研究人員今后進(jìn)行更深一步探索與研究。

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S625.3；TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.024

2095－6835（2019）17－0056－02

余金永（1983—），男，河南南陽人，本科，工程師，研究方向?yàn)橹悄芸刂萍白詣?dòng)化。李玉琴（1983—），女，河南葉縣人，工程師，講師，研究方向?yàn)橹悄芸刂萍白詣?dòng)化。

2018年度廣西城市職業(yè)大學(xué)科研項(xiàng)目“基于PLC控制的傳感器技術(shù)在溫棚自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用研究”（編號(hào)：GXCCKY2018A005）階段性成果

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕