分布式大棚環境監控系統的設計與實施

廖尚譽 尤曉萍（廈門大學嘉庚學院機電工程系，福建 漳州 363105）

分布式大棚環境監控系統的設計與實施

廖尚譽 尤曉萍
（廈門大學嘉庚學院機電工程系，福建 漳州 363105）

摘 要：溫室大棚中的溫度、濕度、通風等是影響大棚生成的主要因素，本文設計了一套調節蔬菜大棚溫度、濕度及通風的控制裝置。本設計包含溫度、濕度及風速檢測裝置，并通過無線傳感器網絡傳輸到控制中心，收集大棚各位置的狀態信息，然后控制大棚四周的薄膜開關、水簾、風機等執行機構的控制，實現了大棚各位置的溫濕度控制。并實際應用于蔬菜的無土栽培中。

關鍵詞：溫室大棚；單片機；分布式監測

溫室大棚中作物長勢的好壞、質量和產量的高低與溫室大棚中的溫度、濕度、風速等因素密切相關，因此對溫室大棚的環境因素監測和控制是非常重要的一環。本文設計“大棚環境監控系統” 基于單片機實現溫濕度測量，并通過Zigbee無線傳感器網絡將數據傳輸到控制中心，實現數據的集中管理，并做出決策，控制大棚中的薄膜開關、水簾、風機等執行機構，對大棚的環境進行監控。

1　監測系統設計

溫室大棚監控系統主要包括監控節點，路由控制中心及薄膜開關、水簾、風機等執行機構。如圖1所示，監控制節點包括監測和控制兩部分，監測部分對現場溫度，濕度，光照強度及風速的檢測，控制部分包含了薄膜開關、水簾、風機等執行機構的控制。各個節點都包含Zigbee通訊模塊，能將節點的監測信息通過Zigbee傳輸到控制中心，再由控制中心通過Zigbee傳輸控制指令給監控節點實現對各執行機構的控制。

2　系統硬件設計

2.1 大棚監控節點

大棚監控節點采用STC12系列單片機作為控制芯片，該芯片內置高效低功耗的8051內核、64K可編程Flash、8路10 位AD傳感器、3路定時計數輸入等。通過UART串口與CC2530模塊通訊，實現數據的無線透明傳輸。CC2530模塊在板載PCB天線的條件下可實現80米可視范圍內的數據通訊，及多節點之間的多跳路由。大棚監控節點采用DHT22實現對環境溫度和濕度的檢測，DHT22采用單總線結構實現溫濕度的數字檢測，濕度測量范圍：0-100%RH，濕度測量精度：±2%RH，溫度測量范圍：-40℃-80℃，溫度測量精度：±0.5℃；采用YGC-FS風速傳感器對風速進行檢測，該風速傳感器以脈沖信號輸出，用單片機的定時計數器采集脈沖寬度，并將其轉化為風速值，測量范圍為0-70m/s，測量精度可達±（0.3+0.03V）m/s。控制部分主要為繼電器實現對各執行部件的控制。圖2為大棚監控節點電路原理圖。

2.2 控制中心

控制中心電路采用STC12系列單片機作為控制芯片，并帶有無線通訊模塊和LCD12864中文顯示模塊，可顯示各節點的狀態信息。收集完各節點信息后，控制中心根據設定好的決策對各控制節點發出控制指令，實現大棚薄膜開關、水簾、風機，從而達到調節大棚內溫濕度和控制大棚內空氣流通效果。

3 控制策略與程序設計

3.1 控制策略

本設計主要是檢測各節點的溫濕度信息，然后對大棚內的整體溫濕度進行調控。該控制需求主要以無土栽培的實際經驗測試得到。主要的控制過程如下：溫度控制：（1）當溫度小于或等于26度時，先關閉水簾電機，在關閉左右薄膜，60s后在關閉后側水簾薄膜。（2）當溫度大于或等于30度時，先打開后側水簾薄膜。60s后在打開風機，在打開左右薄膜。（3）當溫度大于或等于32度時，左右薄膜關閉，后起動水簾電機，在打開排氣風扇降溫。濕度控制：當濕度60度時關閉排氣扇，濕度80度時，打開排氣扇，關閉水簾電機。抽水澆菜控制，早上6點抽30分鐘，中午10點抽30分鐘，下午2點抽30分鐘。每個下午4點鐘，大棚頂黑網合起來。

3.2 程序設計

大棚控制節點首先進行Zigbee組網，然后檢測沙井蓋開啟狀態信息，再監聽Zigbee網絡的指令信息，根據指令信息反饋當前狀態。

圖1　溫室大棚監測系統架構圖

圖2　大棚監控節點電路原理圖

圖3　大棚監控節點流程圖

圖4　控制中心的控制流程

大棚控制中心節點主要協調大棚內各節點與控制中心之間的數據。由于節點的個數較多，如果由大棚監控節點主動向路由節點發送信息的話容易造成同一網段內多個節點同時向路由節點發送信息的情況，造成信息的滯后，甚至丟失，因此控制中心與監控節點之間采用主動查詢的方式，由控制中心定時向監控節點發送查詢指令來查詢大棚內各節點的狀態信息。大棚內溫濕度控制的實時性要求不用很高，可以幾分鐘查詢一次節點信息。因此不會出現大量的數據傳輸。

結語

該設計在企業的實踐基地中進行測試，經實地測試，該設備的檢測精度滿足實際控制中大棚溫濕度控制的需求，且比PLC設計的相關設備的成本更低，取代了原有大棚內的PLC控制系統，很好的實現了大棚內環境的監測與控制任務，為企業節約了大量的人力資源，同時數據可通過控制中心導出到計算機中進行分析與存檔，增強了用戶的體驗。

在后期的研究中，我們將繼續研究，可實現大棚的遠程控制，并針對有土栽培的加入土壤濕度檢測，無土栽培加入酸堿性檢測等，提高設備的適用范圍，還可增加日期，并引入研究人員的經驗數據，針對植被在四季中的適應性對大棚內溫濕度情況進行調整。

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