蒲維杰

摘 要：農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)能提高大棚作物生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，精確的環(huán)境控制變得至關(guān)重要，尤其是在溫濕度和二氧化碳濃度的監(jiān)測方面。首先，介紹了農(nóng)業(yè)大棚濕度監(jiān)測系統(tǒng)的基本理論，闡述了溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理和核心技術(shù)。其次，詳細(xì)討論了系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電源管理模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、ADC轉(zhuǎn)換電路，以及二氧化碳濃度采集處理設(shè)計(jì)，形成了高效、可靠的監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能夠精準(zhǔn)地測量大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，還能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。最后，涵蓋系統(tǒng)的調(diào)試過程，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過這種綜合方法，為中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供一種創(chuàng)新的技術(shù)解決方案，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：溫濕度監(jiān)測；農(nóng)業(yè)技術(shù)；物聯(lián)傳感

中圖分類號(hào)：S625 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）01–00-03

本研究設(shè)計(jì)高效的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，提高農(nóng)業(yè)大棚的管理效率和作物生長的質(zhì)量。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對大棚內(nèi)溫濕度的精確控制變得越來越重要，本系統(tǒng)應(yīng)用了先進(jìn)的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控大棚內(nèi)的環(huán)境條件。通過智能算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，優(yōu)化灌溉和溫度管理[1]。本研究不僅關(guān)注系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，還考慮系統(tǒng)在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的可應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)效益，力求在保障作物生長的同時(shí)，提高能源使用效率和降低運(yùn)營成本。通過對該系統(tǒng)的實(shí)施，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供創(chuàng)新的解決方案，有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，通過更有效地使用資源，減少浪費(fèi)，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙贏的目標(biāo)[2]。

1 農(nóng)業(yè)大棚濕度監(jiān)測系統(tǒng)的基本理論

為了迎合時(shí)代的需求與公共設(shè)備體系的建立，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)大棚濕度監(jiān)測的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)化以及可視化操作。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本思路如圖1所示。

農(nóng)業(yè)大棚濕度監(jiān)測采用STM32單片機(jī)為控制芯片，實(shí)現(xiàn)大棚土壤溫濕度數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測和實(shí)時(shí)顯示與實(shí)時(shí)處理，使用者可以根據(jù)需要，自己手動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)溫濕度與閾值的范圍，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)可調(diào)。還有對大棚土壤中溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測處理的功能。

系統(tǒng)所用的傳感器為DHT11溫濕度傳感器，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對大棚土壤中的溫濕度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；利用液面?zhèn)鞲衅鲗?shí)時(shí)監(jiān)測水箱中液面的高度值；樹木轉(zhuǎn)換模塊將傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換成可被單片機(jī)處理識(shí)別的數(shù)字量信息；LCD1602液晶顯示模塊實(shí)時(shí)地顯示AD模數(shù)轉(zhuǎn)換后的溫濕度數(shù)字量信息，以及液面的高度信息和用戶的預(yù)設(shè)預(yù)警值的溫濕度數(shù)字量；MCU數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)對各個(gè)傳感器模塊的控制及數(shù)據(jù)的處理；多功能報(bào)警模塊和繼電器開關(guān)控制，則是監(jiān)測的溫濕度數(shù)據(jù)不在用戶所設(shè)的閾值范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警提醒用戶澆水，同時(shí)繼電器自動(dòng)吸合水泵工作，完成自動(dòng)澆水。若一段時(shí)間以后監(jiān)測到土壤中的溫濕度數(shù)據(jù)，并且這個(gè)數(shù)據(jù)在使用者預(yù)先所設(shè)的閾值范圍內(nèi)，那么繼電器將會(huì)斷開，水泵停止工作[3]。

2 農(nóng)業(yè)大棚濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)主要涵蓋電源供電單元、復(fù)位電路單元和時(shí)鐘單元。其中，復(fù)位單元原理是當(dāng)系統(tǒng)上電完成時(shí)，會(huì)自動(dòng)完成一次復(fù)位操作。這可以用于系統(tǒng)的重啟操作，例如當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)寄存器發(fā)生錯(cuò)亂或顯示問題，此時(shí)按下復(fù)位鍵，那么系統(tǒng)會(huì)恢復(fù)上電復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位電路硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)電源管理模塊

考慮到系統(tǒng)各模塊的工作電壓都為+5 V，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓穩(wěn)定在+5 V的穩(wěn)壓模塊。選取的是型號(hào)為LM7805的穩(wěn)壓芯片，其將所輸入的電壓轉(zhuǎn)換成各模塊所需的工作電壓。同時(shí)，為了減少電壓波動(dòng)的影響，濾波電路采用了2個(gè)電解電容進(jìn)行并聯(lián)。具體穩(wěn)壓電路的實(shí)現(xiàn)見圖3所示。

2.3 溫濕度監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器，溫濕度傳感器可以收集大棚土壤和大棚內(nèi)的濕度信息。節(jié)約了單片機(jī)的片內(nèi)處理資源，顯著提高了其處理能力效率[4]。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以測量-40～80 ℃的環(huán)境溫度，且精度為±0.5 ℃，采用單線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问?，將采集到的?shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理單元，然后進(jìn)行處理顯示。詳細(xì)的溫濕度數(shù)據(jù)采集電路圖如圖4所示。

2.4 ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

ADC轉(zhuǎn)換電路采用的是ADC0832ccn芯片，該芯片的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。ADC轉(zhuǎn)換電路憑借成本低、功耗小和兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合大面積網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)使用，因此適合在大棚報(bào)警系統(tǒng)中使用。此外，ADC轉(zhuǎn)換電路還可以進(jìn)行多路AD轉(zhuǎn)換，滿足多個(gè)任務(wù)的需求。為芯片的08號(hào)引腳提供+5 V的直流電壓，就能夠使得芯片正常運(yùn)行。同時(shí)在高性能、高頻率的狀態(tài)下，芯片可以在極短的時(shí)間內(nèi)將溫濕度信息進(jìn)行模—數(shù)轉(zhuǎn)變，能夠滿足客戶獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的需求[5]。

2.5 二氧化碳濃度采集處理設(shè)計(jì)

采集二氧化碳濃度的主要器件是MQ-9傳感器，它能精確地獲取所需的濃度信息。在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮該傳感器的電阻進(jìn)行上電處理，其原理是系統(tǒng)正常供+5 V電壓以后，內(nèi)部的大功率電阻絲可以利用電流的熱效應(yīng)使傳感器正常工作。同時(shí)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)為了減少不必要的等待時(shí)間，將傳感器的引腳01、02和03全部接入+5 V，而引腳04～06進(jìn)行接地處理。內(nèi)部通過A和B這2個(gè)金屬撥片，來探測空氣中的煙霧氣體濃度[6-9]。然后，根據(jù)其內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)與空氣中氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電流變化。通過這種電流的變化邏輯處理單元根據(jù)算法來采集與監(jiān)測二氧化碳濃度。其具體硬件原理邏輯圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，選取的測試環(huán)境為略顯干燥的土壤環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試場景。同時(shí)，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)需要滿足分模塊化的測試準(zhǔn)則，即先針對不同的模塊單元進(jìn)行分步調(diào)試。在調(diào)試沒有問題以后，再進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。這樣可以測試獨(dú)立單元，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，防止系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤而找不到錯(cuò)誤的源頭。在分模塊調(diào)試時(shí)，先對氣體濃度監(jiān)測部分進(jìn)行測試，調(diào)試DHT11溫度采集單元，然后調(diào)試顯示單元，測試按鍵電路單元，最后調(diào)試報(bào)警單元。在調(diào)試時(shí)，需要進(jìn)行不斷測試與改進(jìn)，以達(dá)到最佳效果。

具體測試實(shí)現(xiàn)流程如下：系統(tǒng)上電復(fù)位完成后，根據(jù)原先設(shè)置的濕度10%～18%報(bào)警濃度、溫度35 ℃的條件下，將傳感器靠近土壤?？梢园l(fā)現(xiàn)溫度開始緩慢上升，同時(shí)若當(dāng)監(jiān)測的濕度數(shù)據(jù)低于設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，或者當(dāng)監(jiān)測的溫濕度低于預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，開啟預(yù)警模式，能在光報(bào)警的同時(shí)繼電器開關(guān)閉合，水泵開始工作。調(diào)試流程圖如圖7所示。

4 結(jié)論

第一，升級(jí)傳感器以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場景；第二，整合物聯(lián)網(wǎng)和AI技術(shù)，使用NB-IOT或Wi-Fi傳輸數(shù)據(jù)；第三，增加對土壤微量元素的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)的種植和灌溉管理。未來的研究可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和用戶友好性，也可以探索新的監(jiān)測參數(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，以更全面地滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。通過這種方式，溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)將繼續(xù)在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和促進(jìn)生態(tài)可持續(xù)性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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