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        基于單片機的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計

        2023-07-29 12:05:32史晨浩李成創(chuàng)余佳慶裴翔毅陳明淑
        電子制作 2023年13期
        關(guān)鍵詞:土壤濕度溫濕度網(wǎng)絡(luò)平臺

        史晨浩,李成創(chuàng),余佳慶,裴翔毅,陳明淑

        (西京學(xué)院,陜西西安,710123)

        0 引言

        傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式比較單一,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程是人工監(jiān)控,信息的傳達(dá)比較滯后,不能夠進行實時地反饋,使得“溫室大棚變成了低效率、高成本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?!被诰珳?zhǔn)的傳感器進行監(jiān)測,利用云計算等技術(shù)進行多層次分析,并將分析指令與各種控制設(shè)備進行聯(lián)動完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理??梢杂行У夭杉r(nóng)業(yè)場所的空氣濕度、土壤濕度、溫室溫度、光照強度等環(huán)境因素,以便于為農(nóng)產(chǎn)品的生長創(chuàng)造最佳條件,避免外界四季變化對其影響,并通過建設(shè)完成環(huán)境監(jiān)測、病蟲害監(jiān)控等功能。

        1 總體方案設(shè)計與實施方案

        根據(jù)農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)管理的實際需求,以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動效率為核心,按照農(nóng)作物的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后全產(chǎn)業(yè)鏈條,打造數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)方案。該“溫室大棚”溫濕度采集控制系統(tǒng)具有環(huán)境感知控制系統(tǒng)和反饋控制技術(shù)裝備等的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知控制技術(shù)體系與業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng),可以實現(xiàn)監(jiān)控預(yù)警、肥/水/藥智能實施等。溫濕度采集控制方框圖如圖1 所示。

        圖1 溫濕度控制方框圖

        系統(tǒng)以單片機控制器為控制核心,以物聯(lián)網(wǎng)為連接回路、節(jié)點作為執(zhí)行單元有線連接各種檢測傳感器和執(zhí)行控制元件,從而完成在本地子系統(tǒng)的自動控制。溫室大棚云平臺通過網(wǎng)絡(luò)連接網(wǎng)關(guān),對各子系統(tǒng)進行控制,平臺系統(tǒng)控制設(shè)計應(yīng)按照手動控制、自動控制的模式實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

        (1)以軟件平臺為基礎(chǔ),實現(xiàn)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。通過現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程采集項目區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息參數(shù),如氣象信息、土壤信息、外圍設(shè)備等,用來顯示設(shè)備運行狀態(tài)。并對數(shù)據(jù)采用趨勢、報表等各種手段進行快速的展示,并進行顯示、分析、記錄、存儲、報警等功能。

        農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),實現(xiàn)包括大棚環(huán)境信息的采集,設(shè)施的遠(yuǎn)程自動控制。視頻監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)包括視頻信息采集、植物生長信息的采集、安防功能。自動氣象站實現(xiàn)小區(qū)域氣象信息的采集。戶外LED 屏,實現(xiàn)大棚環(huán)境信息、氣象信息、通知信息的滾動發(fā)布。無線音頻系統(tǒng)實現(xiàn)大棚內(nèi)農(nóng)業(yè)設(shè)施的語音控制。

        (2)通過云平臺實現(xiàn)外圍設(shè)備的智能控制。通過云平臺上實現(xiàn)對灌溉閥門、水肥一體化設(shè)備進行智能控制,同時設(shè)計開發(fā)手機APP 登錄平臺對現(xiàn)場的信息進行查看或泵閥進行控制。

        2 控制系統(tǒng)的軟硬設(shè)計

        ■2.1 溫濕度檢測電路設(shè)計

        大棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)是通過DHT11 溫濕度傳感器進行采集的,采集到的數(shù)據(jù)最后通過LCD1602 顯示器進行顯示,本次設(shè)計對溫濕度的閾值使用按鍵進行設(shè)計,分為4 個按鍵分別為開始、加鍵、減鍵、復(fù)位。當(dāng)按下按鍵的時候,就可以進行溫濕度的最高閾值和最低閾值的設(shè)置,加鍵和減鍵可以分別對溫濕度的溫度和濕度進行調(diào)整,使溫濕度達(dá)到目標(biāo)設(shè)置值,滿足控制系統(tǒng)的需求。

        ■2.2 土壤濕度檢測電路設(shè)計

        為了使土壤濕度檢測更加準(zhǔn)確,選用的是YL-69 土壤濕度傳感器,該傳感器模塊是四線制,需要的電源為+5V,接口DO 是數(shù)字量輸出接口傳遞出0 和1,AO 接口是能輸出電壓模擬量。將該傳感器與主控電路連接,可以檢測土壤濕度,也設(shè)置了4 個按鍵,分別為開始、加鍵、減鍵、復(fù)位,通過閾值的設(shè)置,在DO 接口的閾值調(diào)節(jié)上,當(dāng)順時針調(diào)節(jié)單位器,其控制的濕度限度就會變大,同理逆時針旋轉(zhuǎn)式,其控制的濕度限度就會變小,更加靈敏。

        ■2.3 總體硬件電路圖設(shè)計

        總結(jié)硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示,分別使用了DHT11 溫濕度傳感器,光照傳感器,土壤濕度傳感器模塊的組合來實現(xiàn)對大棚環(huán)境的監(jiān)測。首先使用溫濕度傳感器對大棚內(nèi)溫度和濕度進行整體監(jiān)測,同時使用光照傳感器監(jiān)測當(dāng)前大棚內(nèi)部的整體光照情況是否合格達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),使用扎根于土壤中的YL-69 土壤濕度傳感器模塊監(jiān)測土壤中水分含量是否合格達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),傳送數(shù)據(jù)至單片機,通過LCD 顯示設(shè)備,實時顯示出當(dāng)前溫度數(shù)值,實時顯示出當(dāng)前濕度數(shù)值,可以通過相應(yīng)按鍵調(diào)整適合于農(nóng)作物的適當(dāng)上下閾值,在單片機內(nèi)部與預(yù)設(shè)值進行數(shù)據(jù)比對,倘若發(fā)生數(shù)值超過限定范圍就發(fā)生蜂鳴器報警以及LED 燈報警。

        圖2 總體硬件電路圖設(shè)計

        ■2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

        本項目在Keil μVision4 C51 軟件中編程實現(xiàn)的,系統(tǒng)的整體設(shè)計流程圖如圖3 所示,溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分是主要由單片機發(fā)出指令對溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器模塊進行操作命令,使其正常運行,同時溫濕度傳感器模塊對溫室大棚內(nèi)的溫度和濕度進行監(jiān)測,將監(jiān)測到的溫度和濕度參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至單片機和預(yù)設(shè)值進行比對校驗,當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)值不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)時,觸發(fā)蜂鳴器報警方式,并將數(shù)值實時顯示在顯示屏上。

        圖3 系統(tǒng)的整體設(shè)計流程圖

        各個傳感器模塊開始工作的時候,都會與預(yù)設(shè)值進行對比,要是超出了預(yù)設(shè)值,蜂鳴器就會報警,主控器會打開外圍設(shè)備,針對不同的需求進行動作,若是沒有超出預(yù)設(shè)值的時候,就會實時的數(shù)據(jù)就會顯示在LCD 顯示屏上,并與網(wǎng)絡(luò)平臺進行連接,網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)方便被實時地掌握。

        3 控制系統(tǒng)主要子模塊調(diào)試

        ■3.1 溫濕度監(jiān)測調(diào)試

        通過硬件電路設(shè)計和軟件程序編寫,完成了溫室大棚的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)。通過實物調(diào)試,達(dá)到了控制系統(tǒng)的要求。首先,對溫濕度控制系統(tǒng)進行初始化,再通過按鍵對溫濕度進行預(yù)設(shè)值設(shè)置;其次,溫濕度傳感器檢測到溫室大棚的實時溫濕度,并通過將實時的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進行對比,當(dāng)溫濕度在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的時候,系統(tǒng)正常工作,溫濕度顯示;當(dāng)溫濕度檢測不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的時候,蜂鳴器報警,LED指示燈亮起,溫濕度報警顯示;由于檢測的數(shù)值是實時動態(tài)范圍內(nèi)的,故當(dāng)有環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候,控制系統(tǒng)監(jiān)測到數(shù)值發(fā)生了變化,即可觸發(fā)報警和LED 指示燈亮起,以在傳感器周圍增加火源使溫度升高模擬環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化進行溫濕度監(jiān)測,可以在顯示屏上看到溫度上升,濕度下降,環(huán)境因素變化值顯示如圖4 所示。

        圖4 溫濕度監(jiān)測調(diào)試

        ■3.2 土壤濕度監(jiān)測調(diào)試

        通過硬件電路設(shè)計和軟件程序編寫,完成了溫室大棚的土壤濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)。通過實物調(diào)試,達(dá)到了控制系統(tǒng)的要求。具體調(diào)試過程:首先,對土壤濕度控制系統(tǒng)進行初始化,再通過按鍵對土壤濕度進行預(yù)設(shè)值設(shè)置;其次,土壤濕度傳感器檢測到溫室大棚的實時土壤濕度值,并通過將實時的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進行對比,當(dāng)土壤濕度在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的時候,系統(tǒng)正常工作;當(dāng)土壤濕度檢測不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的時候,蜂鳴器報警,LED 燈閃爍,土壤濕度報警顯示;由于檢測的數(shù)值是實時動態(tài)范圍內(nèi)的,故當(dāng)有環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候,控制系統(tǒng)監(jiān)測到了數(shù)值進行了變化,即可發(fā)生報警和LED 燈閃爍,以在用水來接觸土壤濕度傳感器模擬環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化進行土壤濕度監(jiān)測,可以在顯示屏上看到土壤濕度上升環(huán)境因素變化值顯示如圖5 所示。

        圖5 土壤濕度監(jiān)測調(diào)試

        ■3.3 網(wǎng)絡(luò)平臺調(diào)試

        網(wǎng)絡(luò)平臺主要設(shè)計實現(xiàn)了兩個平臺,一個是應(yīng)用手機藍(lán)牙與控制系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊連接,進行網(wǎng)絡(luò)平臺調(diào)試;另一個是應(yīng)用微信平臺實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺調(diào)試,以便于農(nóng)戶可以不用去溫室大棚查看環(huán)境參數(shù)值,便可以輕松地通過手機查看環(huán)境參數(shù)的變化值,并通過手機進行外圍設(shè)備的啟停工作。

        調(diào)試過程:首先,打開手機APP,連接上ESP8266 模塊或者打開微信公眾號,顯示出當(dāng)前的實時溫度濕度數(shù)值和繼電器吸合狀態(tài),手機APP 或微信公眾號顯示實時數(shù)值;其次,當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候,網(wǎng)絡(luò)平臺可以進行報警,報警界面;最后,可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)平臺進行外圍設(shè)備的啟停控制,已達(dá)到溫室大棚需求的環(huán)境參數(shù)值,網(wǎng)絡(luò)平臺控制外圍設(shè)備啟停。

        圖6 網(wǎng)絡(luò)平臺顯示實時數(shù)值

        4 總結(jié)

        該控制系統(tǒng)不僅解決了溫室大棚的智能化監(jiān)測的問題,而且實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度規(guī)?;?、集約化,提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風(fēng)險的應(yīng)對能力,使弱勢的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)。

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