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        基于單片機(jī)的大棚溫濕度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2019-12-04 06:37:48張瑋瑋
        關(guān)鍵詞:物聯(lián)溫濕度大棚

        張瑋瑋,董 昭

        (安陽(yáng)工學(xué)院,河南安陽(yáng)455000)

        傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)往往受到地理環(huán)境、自然環(huán)境等諸多因素影響,農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)控制難度較大,這使得以溫室大棚為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)保障農(nóng)業(yè)安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義??茖W(xué)控制溫室內(nèi)溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度是溫室大棚的關(guān)鍵技術(shù),為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能、科學(xué)、合理地調(diào)節(jié)溫室溫濕度、光照度,形成有利于作物生長(zhǎng)的理想環(huán)境,確保溫室內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和效益,本文參考有關(guān)文獻(xiàn)[1-6],設(shè)計(jì)了一種大棚溫濕度控制系統(tǒng)。

        1 設(shè)計(jì)思路

        該系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)路線,根據(jù)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù),Arduino Mega 2560單片機(jī)通過(guò)控制繼電器,驅(qū)動(dòng)排風(fēng)扇、加熱帶、水泵、生長(zhǎng)燈等執(zhí)行裝置,根據(jù)植物的生長(zhǎng)特性進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,使系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)方框圖

        系統(tǒng)選擇Arduino Mega 2560單片機(jī)作為核心,分別由以下幾個(gè)部分組成:Arduino Mega 2560單片機(jī)、LCD顯示部分、按鍵部分、繼電器部分以及外設(shè)部分等。系統(tǒng)通過(guò)溫濕度模塊檢測(cè)環(huán)境溫濕度,將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)給單片機(jī),單片機(jī)將接收到的信號(hào)與系統(tǒng)參數(shù)值互相對(duì)比,再發(fā)出相應(yīng)的控制指令。液晶顯示模塊可以顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度,再通過(guò)外設(shè)對(duì)溫濕度進(jìn)行控制,使其符合作物生長(zhǎng)要求。

        2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        2.1 主程序

        系統(tǒng)讀取溫濕度數(shù)值,通過(guò)對(duì)應(yīng)控制繼電器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置,按照設(shè)定要求調(diào)節(jié)大棚溫濕度,主程序流程圖如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

        2.2 檢測(cè)子程序和控制子程序

        檢測(cè)子模塊包括傳感器和顯示屏控制。在檢測(cè)子程序中,系統(tǒng)利用傳感器采集環(huán)境中的數(shù)據(jù),經(jīng)單片機(jī)處理之后,通過(guò)顯示屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在控制子程序中,通過(guò)傳感器檢測(cè)到的數(shù)值和設(shè)定目標(biāo)參數(shù),利用單片機(jī)控制繼電器的常開常閉觸點(diǎn),用以控制外部設(shè)備,通過(guò)這些外部設(shè)備對(duì)系統(tǒng)中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),也可選擇手動(dòng)模式進(jìn)行控制。

        2.3 WiFi模塊及云平臺(tái)

        WiFi模塊的主要功能是連接中繼路由器,WiFi模塊和貝殼物聯(lián)之間的通信是基于TCP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,通過(guò)連接云端系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于每條成功發(fā)送的指令都會(huì)有信息反饋,處理器會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)結(jié)果分析是否進(jìn)行下一步動(dòng)作。

        云平臺(tái)作為云端服務(wù)器可以儲(chǔ)存和處理數(shù)據(jù)。云平臺(tái)最主要的功能是提供人機(jī)交互界面,提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)界面,可以使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變?yōu)閯?dòng)態(tài)曲線,讓用戶更便捷發(fā)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)變化,從而創(chuàng)造滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的適宜環(huán)境。

        3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        硬件電路包括數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、控制模塊、復(fù)位模塊。單片機(jī)使用外部電源+9V電源進(jìn)行供電。

        3.1 總體電路圖

        總體電路如圖3所示。

        3.2 數(shù)據(jù)采集模塊電路

        數(shù)據(jù)采集部分的電路由兩個(gè)傳感器組成,一個(gè)是DS18B20溫度傳感器,另一個(gè)是YL-69濕度傳感器。溫度傳感器需要一個(gè)上拉電阻來(lái)穩(wěn)定信號(hào),使總線持續(xù)高電平,準(zhǔn)確讀取當(dāng)前的溫度值。濕度傳感器是一個(gè)集成模塊,把它的各個(gè)引腳連接到Arduino Mega 2560單片機(jī)上即可。

        3.3 顯示模塊電路

        本設(shè)計(jì)使用LCD12864顯示屏,電路如圖4所示。

        圖3 電路原理圖

        圖4 顯示模塊電路圖

        3.4 控制模塊電路

        控制部分包括單片機(jī)、繼電器、單刀雙擲開關(guān)、加熱帶、水泵、排風(fēng)扇。水泵和加熱帶采用220 V的交流電源供電,排風(fēng)扇使用12 V的直流電源供電??刂葡到y(tǒng)有自動(dòng)手動(dòng)兩種模式。

        3.5 復(fù)位模塊電路

        Arduino Mega 2560單片機(jī)的復(fù)位引腳是低電平復(fù)位,所以用按鍵按的時(shí)候給RESET引腳一個(gè)有效的低電平即可。

        4 測(cè)試

        4.1 控制系統(tǒng)基本功能測(cè)試

        本文設(shè)計(jì)一個(gè)模擬大棚封閉環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本功能測(cè)試,目標(biāo)參數(shù)設(shè)置為溫度23℃,濕度95%,光照85 lux。

        4.2 WiFi及云平臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)試

        現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置好以后上電啟動(dòng)WiFi模塊,WiFi模塊接收處理器發(fā)送的AT+i指令,監(jiān)測(cè)中心聯(lián)網(wǎng),上位機(jī)和下位機(jī)一起組成監(jiān)控系統(tǒng)。WiFi模塊作為上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁首先得連接中繼路由器,設(shè)置工作模式,對(duì)無(wú)線模塊進(jìn)行透?jìng)髟O(shè)置,這樣WiFi模塊就會(huì)在聯(lián)網(wǎng)的情況下自動(dòng)登錄貝殼物聯(lián)網(wǎng)站。

        貝殼物聯(lián)開源提供設(shè)備和傳感器ID,用戶可以通過(guò)域名和端口接入貝殼物聯(lián)平臺(tái)。在貝殼物聯(lián)上,經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)以波動(dòng)的曲線形式跳動(dòng),這樣最大的優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)環(huán)境發(fā)生突然變化時(shí),很容易被監(jiān)測(cè)者發(fā)現(xiàn)。還可以查詢歷史數(shù)據(jù),與即時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

        4.2.1 光照傳感器數(shù)據(jù)的測(cè)試

        本次測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的光照數(shù)據(jù),遮擋光照傳感器會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)變化,傳感器的精度為±1 lux。光照數(shù)據(jù)圖如圖5所示。

        圖5 光照數(shù)據(jù)圖

        4.2.2 溫度傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試

        測(cè)量0~50℃溫度傳感器,供電電壓為DC3.3~5.5V,誤差溫度為±2℃。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,反復(fù)測(cè)量5次同一環(huán)境溫度,與標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析,雖然有一些誤差,但是統(tǒng)計(jì)誤差不超過(guò)1℃。本次測(cè)試充分證明了此次溫度測(cè)試的數(shù)據(jù)有效,可以幫助監(jiān)測(cè)者實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度,所采取的數(shù)據(jù)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

        4.2.3 濕度傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試

        為了確保測(cè)試的精確性,本設(shè)計(jì)在相同環(huán)境下取樣5次,通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的濕度計(jì)進(jìn)行對(duì)比,可以清晰地觀察到誤差。通過(guò)改變環(huán)境參數(shù),數(shù)據(jù)也會(huì)隨之不斷變化,測(cè)量數(shù)據(jù)見圖6所示。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的濕度計(jì)對(duì)比測(cè)得數(shù)據(jù),見表1所示。

        表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

        圖6 測(cè)量數(shù)據(jù)

        4.2.4 手機(jī)控制測(cè)試

        通過(guò)手機(jī)端可以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開關(guān),經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)手機(jī)可以遠(yuǎn)程控制。在手機(jī)APP上添加開關(guān),通過(guò)設(shè)置指令控制系統(tǒng)開關(guān),這樣就可以達(dá)到分別控制的目的。

        5 結(jié)論

        本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的大棚溫濕度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示,該系統(tǒng)具有制作成本低、系統(tǒng)功能穩(wěn)定、便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn),有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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