智能大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王麗麗 韓學(xué)堯 王然升

摘要：本文主要介紹以IAP15F2K61S2單片機(jī)為核心，以溫度、濕度等傳感器為主要外圍元件的大棚自動(dòng)監(jiān)測控制系統(tǒng)。詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)原理和特點(diǎn)等問題。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的溫濕度、光照度、土壤濕度和CO2濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而使蔬菜生長環(huán)境實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，節(jié)省了人力，提高了控制質(zhì)量產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，不僅具有廣闊的市場前景，而且具有巨大的社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：智能大棚；單片機(jī)；監(jiān)測控制

一、概述

近年來，移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)和漫游，且網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、性能穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有GSM短信息功能的大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，無需單獨(dú)組網(wǎng)，運(yùn)行安全穩(wěn)定。

智能溫室是近幾年逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，它是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能傳感技術(shù)等高科技手段發(fā)展起來的，是集農(nóng)業(yè)科技上的高、精、尖和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)于一體的先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)科技向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)。伴隨著GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，智能大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于溫室大棚智能化管理中。

二、智能大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)是利用IAP15F2K61S2單片機(jī)把傳感器采集的有關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把這些數(shù)據(jù)暫存起來，與給定值進(jìn)行比較，經(jīng)一定的控制算法后，給出相應(yīng)的控制信號(hào)進(jìn)行控制。系統(tǒng)還可以經(jīng)過串行通信接口將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，從而完成數(shù)據(jù)管理、智能決策、歷史資料統(tǒng)計(jì)分析等更為強(qiáng)大的功能，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、編輯、存儲(chǔ)及輸出。

環(huán)境檢測由AM2301數(shù)字式溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和YL-38光強(qiáng)傳感器等組成，分別檢測溫室大棚的空氣溫濕度、煙霧濃度、光照度。通過這些外圍傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶12864上，當(dāng)檢測到用戶的狀態(tài)請(qǐng)求時(shí)，主控通過GSM模塊將信息發(fā)送到用戶手機(jī)上。在待機(jī)狀態(tài)下，主控不斷監(jiān)測鍵盤或GSM的控制指令，根據(jù)不同的指令控制相應(yīng)的繼電器，控制通風(fēng)、噴灌和加熱等裝置。

三、智能大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（1）空氣溫度測量。溫度傳感器的種類多，選擇余地大，本系統(tǒng)采用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器。AM2301是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能夠確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)中，AM2301將數(shù)據(jù)直接送入IAP15F2K61S2，通過單片機(jī)內(nèi)部的10位A/D采集信號(hào)，設(shè)置為第1路信號(hào)，精確到0.5℃，可滿足應(yīng)用要求。

（2）空氣濕度測量。采用AM2301的濕度測量模塊，調(diào)理后，送入主控芯片，設(shè)置為第2路信號(hào)。由于AM2301有0.70%RH的溫度系數(shù)，在信號(hào)調(diào)理電路中進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，在35%～85%RH范圍內(nèi)可精確到2%RH。

（3）土壤濕度。土壤水分傳感器采用不銹鋼管和一段鋼絲制成，長20cm，不銹鋼管和鋼絲之間留1cm的距離并保持平行放置，將二者用絕緣材料固定。通過測量不銹鋼管和鋼絲之間的電阻來測量土壤水分，采用電阻橋和運(yùn)算放大器OP07調(diào)到0～5V的范圍，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)。

（4）煙霧測量。采用煙霧傳感器，通過電位器設(shè)定煙霧指標(biāo)補(bǔ)償，然后送入單片機(jī)的I/O，經(jīng)濾波處理后，判斷是否達(dá)到設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

（5）通信模塊。采用TC35i通訊模塊，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，無需單獨(dú)組網(wǎng)，運(yùn)行安全穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行靈活、經(jīng)濟(jì)可靠。而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制（跨省、跨區(qū)域）。另外，還采用ZigBee模塊用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與大棚之間的通訊，節(jié)省成本，操作簡單。

（6）控制功能及實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，主機(jī)通過接受鍵盤或GSM的控制信號(hào)來控制相應(yīng)的繼電器驅(qū)動(dòng)電路，由繼電器來控制通風(fēng)、噴灌、加熱和卷簾等裝置。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集溫室內(nèi)的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，通過12864液晶進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并把參數(shù)信息發(fā)送到用戶手機(jī)，尋求處理方案。而且用戶還可以通過按鍵來現(xiàn)場控制。例如控制卷簾電機(jī)、鼓風(fēng)電機(jī)、水泵等機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，以維護(hù)大棚的正常運(yùn)行。在用戶的請(qǐng)求下還可以通過GSM模塊以短信的形式將大棚的環(huán)境參數(shù)發(fā)送到用戶手機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)測。在待機(jī)模式下，用戶也可用手機(jī)遠(yuǎn)距離控制大棚中各種機(jī)械設(shè)備的工作，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)全景圖如圖1所示。

四、結(jié)語

本設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，由IAP15F2K 61S2單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、溫度檢測電路，濕度檢測電路、控制系統(tǒng)組成。溫度檢測電路將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成電壓，該模擬電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入IAP15F2K61S2單片機(jī)，單片機(jī)通過比較該溫度與設(shè)定溫度來控制風(fēng)扇或加熱裝置驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)大棚內(nèi)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)不對(duì)風(fēng)扇或加熱裝置發(fā)出指令。實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚里植物生長溫度及土壤和空氣濕度的監(jiān)測控制，并能對(duì)超過正常溫度、濕度范圍的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，使大棚環(huán)境得到了良好的控制。

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