溫室大棚精細化管理系統

賈亞娟　謝國坤　王亞亞

【摘 要】本設計采用TI公司（德州儀器Texas Instruments）單片機MSP430G2553作為控制核心，實現了溫室大棚的精細化管理。系統主要包括傳感器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、直流電機驅動模塊等。系統的應用使溫室大棚人工管理這一復雜的監測任務變得簡單、準確化。該裝置集多項功能于一身，首先，具有簡單的控制鍵盤和可視化的液晶顯示模塊，便于參數的設定與人機交互；其次，具有豐富的采集處理單元，可實現對大棚內溫度、濕度、光照強度等信息采集和反饋；最后，還具有智能控制功能，能根據實時采集的參數決定是否執行灌溉、通風或是改變光照度等操作，確保農作物生長在最佳環境。

【關鍵詞】MSP430G2553；溫室參數采集模塊；溫室智能控制

【中圖分類號】TP273 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）03-0109-02

0 引言

溫室大棚監測系統的設計思路是繼承傳統農業發展的優勢，針對農業自身特點及現實存在的問題進一步完善的新性能系統。該系統將智能化信息處理功能應用于農業生產，通過采用MSP430，實現對大棚內各種信息的采集和反饋，通過光照強度模塊、溫度模塊、土壤濕度模塊、各種驅動模塊及液晶顯示屏等模塊來對大棚進行控制與監測，使人工管理這一復雜的監測任務簡單化、準確化。

1 系統方案

1.1 系統總體方案

本設計使用MSP-EXP430G2 LaunchPad作為核心板，MSP430系列是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機。

溫室大棚精細化管理系統以MSP430G2553單片機為核心，擴展了一個光照強度模塊、溫度模塊、土壤濕度模塊、各種驅動模塊及能夠給予用戶觀察的TFT液晶顯示屏，充分合理地利用了單片機上的各個硬件資源。我們通過4個按鍵來控制系統的各項指標顯示狀況，它們分別為移位鍵、調整鍵、功能鍵和確定鍵。系統總體方案框圖如圖1所示。

1.2 主控制系統

主控制系統的硬件主要是以MSP430G2553為核心芯片，它具有較多的中斷源、穩定的系統工作、豐富的片上外圍模塊、強大的處理能力及有基于USB的集成型仿真器，充分利用這些資源使得我們的軟件得到很好的開發要求。

考慮到單片機的I/O接口不足的問題，本設計中就合理利用外接低頻晶振上的2個接口作為外擴的I/O端口。板子自帶一個仿真器，上面接有一個USB接口，可以將外部電壓轉化成5 V電壓，在板子上的各個I/O端口，如若導通，則均為3.3 V。

1.3 參數采集

該系統在數據采集時，使用了三大模塊，分別為光照強度傳感器模塊、LM35溫度傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊。各個模塊也用到了各自不同的單片機上的管腳，光照度檢測用的是P1.6，溫度傳感器是P1.2，濕度傳感器是P1.7。三大模塊同時構成，形成對大棚全方位的檢測，使得大棚內部詳細信息能被客戶所掌握。

1.3.1 光照強度模塊

設計系統中用ADC采樣出來的AD_Result*2500/1023作為光照度檢測的最終結果，我們充分利用到了硅光電池三大特性中的光照特性，即在不同光照強度下，硅光電池的短路電流和開路電壓的大小不同。光照強度傳感器模塊如圖2所示。

1.3.2 溫度傳感器模塊

LM35是一種得到廣泛使用的精密集成溫度傳感器，其輸出電壓與當前溫度（攝氏度）成正比，由于它采用內部補償方式，所以輸出可以從0 ℃開始。LM35工作電壓為4～30 V，在上述電壓范圍內，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50μA），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。其輸出電壓和溫度呈良好的線性關系，無需外部校準，Vout=10.0 mV/℃×T℃，其中T為當前溫度。

1.3.3 土壤濕度傳感器模塊

在作品中，我們自制了一個土壤濕度傳感器，該傳感器只需要一個FC-28探頭和一個510 kΩ的電阻，利用電阻和土壤濕度的正相關關系，可以測得在土壤中不同濕度情況下的濕度所占的百分比。

1.4 控制調節

該系統通過電機驅動、水閥驅動和風扇驅動3個模塊實現大棚的控制與調節。每個驅動控制不同的電路模塊，并且實現不同的功能，使大棚里的農作物健康成長。

1.4.1 電機驅動電路

采用標準邏輯電平信號控制，具有2個信號輸入端，分別接在單片機2個不同的I/O口上，從而控制電機的正轉和反轉，同時還有一個電源信號線，只要給驅動電路加上5 V的電壓，該驅動電路就可以正常工作（如圖3所示）。當光照強度超過了所設定的農作物需求值時，電機反轉使得卷簾合上，達到遮光的目的。

1.4.2 水閥驅動電路

該系統所采用的是DC12V常閉式電磁水閥，由于單片機管腳輸出的邏輯電平是0～3.3 V，因此中間使用了由三極管和電磁閥繼電器HK4100F組成的驅動電路。通過控制三極管工作在飽和和截止狀態，就可以控制水閥的啟用和停止，從而解決灌溉問題，使農作物得到合理的灌溉。

1.4.3 風扇驅動電路

風扇驅動電路是該系統中結構最簡單的一個驅動模塊，它只用到了一個三極管和一個電阻，通過控制三極管工作在飽和和截止狀態，就可以實現風扇的啟用和停止，從而使大棚內部能夠保持通風。

1.5 信息處理模塊

信息處理模塊是整個系統的核心部分，包括環境參數預設置、信號處理和控制3個部分。環境參數預設置一方面將某一時間范圍內農作物正常生長對溫度、濕度、光照的要求進行設置，另一方面可以將各個大棚內農作物生長的信息反饋到顯示屏上，做到時刻掌握信息。信息處理實現測量數據并反饋其信息，為控制監控提供依據，控制部分則由此發出各種相應的信號。控制部分通過驅動電路來實現，分別是電機、水閥和風扇驅動電路。當控制系統啟動后，能夠按實測溫、濕度和光照強度和其設定的值通過單片機的運算輸出信號，來掌握大棚內植物的各種信息，并發出一些補救的命令。例如，當大棚內的溫度過高時，經過單片機的處理使得風扇打開，從而使內部溫度降低。電機驅動電路如圖3所示。

2 結論

本作品用到了TI公司開發的MSP430G2553，以單片機為主要控制系統，其他各個模塊為輔，共同作用，對大棚實行了嚴密的監控。并且，在用各種傳感器時測得數據的精度也各自不同，光照度的精度可達1Lx，土壤濕度的精度為1%，溫度的精度是0.1 ℃，然而在調整上下限時，只有溫度的精度變成了1 ℃，其他2個模塊所測得的數據的精度均不變。

參 考 文 獻

[1]江曉安，董秀峰.模擬電子技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[2]秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]趙建.MSP430系列單片機系統工程設計與實踐[M].北京：機械工業出版社，2009.

[責任編輯：鐘聲賢]