基于51單片機的蔬菜大棚智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)

張馨月

為獲得更高質(zhì)量與數(shù)量的大棚蔬菜，對蔬菜大棚種植進(jìn)行規(guī)模化、智能化的全方位合理管理無疑成為一種可取的方式，因此提出一種基于51單片機的蔬菜大棚智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測到的土壤濕度、棚內(nèi)溫度、光照、和二氧化碳濃度，通過數(shù)據(jù)分析控制對應(yīng)裝置、發(fā)出相應(yīng)警報提示并且顯示當(dāng)前棚內(nèi)環(huán)境情況。

【關(guān)鍵詞】51單片機 智能監(jiān)控 智能灌溉 溫度 濕度 光照 二氧化碳濃度

1 引言

基于51單片機的蔬菜大棚智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)，通過手動模式的控制的或者自動模式的智能判斷，控制器發(fā)出命令控制電磁閥和水泵的打開與關(guān)閉來達(dá)到灌溉的目的，使得灌溉方式更具靈活性。從影響植物生長的外界環(huán)境因素來看，合適的光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度都是植物良好生長的必要條件。因此想要得到高產(chǎn)量以及高質(zhì)量的蔬菜，對蔬菜大棚內(nèi)土壤濕度、棚內(nèi)溫度、光照、和二氧化碳濃度進(jìn)行檢測和控制是很有必要的。本系統(tǒng)通過PC上位機實現(xiàn)實時監(jiān)控相關(guān)信息，土壤濕度、光照、二氧化碳濃度的AD采樣、棚內(nèi)溫度以及時間的讀取都由控制器內(nèi)部資源完成，該系統(tǒng)能夠大大減少勞動力投入，提高經(jīng)濟效益，促進(jìn)農(nóng)業(yè)自動化、智能化的發(fā)展。

2 智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)以51系列單片機為核心控制器件，系統(tǒng)構(gòu)架主要包括電源部分、單片機最小系統(tǒng)模塊、傳感器模塊、LCD顯示模塊等。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

3 功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 傳感器模塊設(shè)計與實現(xiàn)

3.1.1 溫度傳感器的選擇及功能描述

本系統(tǒng)采用單總線數(shù)字化DS18B20溫度傳感器，其具有體積小、精度高、適用電壓寬、可組網(wǎng)、耐磨耐碰、使用方便、封裝形式多樣等優(yōu)點，并將其以51單片機為控制器組成溫控系統(tǒng)。

用戶通過按鍵自定義溫度上下限閾值，并將上下限值與當(dāng)前棚內(nèi)溫度值在LCD液晶顯示器上進(jìn)行顯示。若當(dāng)前溫度超過上限值，則蜂鳴器以1秒間隔發(fā)出鳴響，并閃爍紅色LED燈，等待用戶或系統(tǒng)解除報警；若當(dāng)前溫度低于下限值，則蜂鳴器不間斷鳴響，并閃爍紅色LED燈，等待用戶或系統(tǒng)解除報警；若當(dāng)前溫度介于上下限閾值之間，則亮綠色LED燈，蜂鳴器不做任何提示。

3.1.2 濕度傳感器的選擇及功能描述

數(shù)據(jù)采集電路主要采用JZ-TDR3型土壤水分傳感器，該傳感器具有精度高、靈敏度高的特點，專門用于農(nóng)田土壤水分的測量。

用戶通過按鍵自定義濕度下限閾值，并將上下限值與當(dāng)前棚內(nèi)溫度值在LCD液晶顯示器上進(jìn)行顯示。在手動模式下，若當(dāng)前濕度低于設(shè)定值，則蜂鳴器以0.5秒間隔鳴響，并閃爍橘黃色LED燈，等待人工解除報警。在自動模式下，若當(dāng)前濕度低于設(shè)定閾值，則系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)分析選擇需灌溉的水量并進(jìn)行自動灌溉。

3.1.3 光照傳感器的選擇及功能描述

本系統(tǒng)采用光敏電阻對光照強度進(jìn)行采集。但由于太陽光線具有的發(fā)散性，會導(dǎo)致各個電阻采集到的信號相差很小，無法判斷太陽方位，因此光敏電阻不能裸露安裝。利用光線直線傳播的特性，每個電阻都安裝在一個導(dǎo)光筒底部，這樣接收的光線將會最強。

若當(dāng)前光照達(dá)不到最適合該植物生長所需的強度，則系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前光照強度分析選擇所需光照時間并啟動農(nóng)用鈉燈進(jìn)行補光照射。用戶也可根據(jù)種植經(jīng)驗自己手動開關(guān)補光燈控制補光時間，使農(nóng)作物處于一個最適宜生長的棚內(nèi)環(huán)境中，已達(dá)到高產(chǎn)量、高質(zhì)量的效果。

3.1.4 二氧化碳濃度傳感器的選擇及功能描述

本系統(tǒng)采用S-100HCO2傳感器，S-100HCO2傳感器是一種光學(xué)式氣體傳感器，利用不同氣體會吸收不同波長的光，我們可以唯一確定出這一種氣體。

當(dāng)系統(tǒng)整合出當(dāng)前棚內(nèi)二氧化碳濃度達(dá)不到植物一天內(nèi)此時段所需的濃度時，系統(tǒng)會根據(jù)不同時段所需二氧化碳濃度的不同，選擇對應(yīng)的增加二氧化碳濃度的方案。白天植物進(jìn)行光合作用較強，所以此傳感器只在白天發(fā)生作用。系統(tǒng)根據(jù)合適的光照強度，自動計算出所需的二氧化碳濃度，分析選擇啟動二氧化碳發(fā)生裝置或選擇對大棚進(jìn)行通風(fēng)，達(dá)到所需濃度后，系統(tǒng)自動關(guān)閉二氧化碳發(fā)生裝置或關(guān)閉通風(fēng)口。

3.2 顯示電路模塊選擇

本系統(tǒng)采用12864LCD液晶顯示器，其具有工作電壓低、微功耗、體積小、可視面積大、無電磁輻射、數(shù)字接口、壽命長等特點。

3.3 串口通信模塊

通過串口通信實現(xiàn)上位機PC端與單片機的良好通信，便于上位機處理單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)以及上位機發(fā)送命令任務(wù)，以實現(xiàn)各功能模塊的與系統(tǒng)整機的聯(lián)系。

3.4 驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)驅(qū)動模塊包括：按鍵、電磁閥和水泵灌溉裝置、LED和蜂鳴器電路、通風(fēng)驅(qū)動裝置、二氧化碳發(fā)生裝置、農(nóng)用鈉燈驅(qū)動裝置等，以配合系統(tǒng)達(dá)到給大棚蔬菜提供最適生長環(huán)境的目的。

4 結(jié)束語

由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度共同作用的蔬菜大棚智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)，以51系列單片機為核心結(jié)合傳感器模塊和驅(qū)動器件組成，硬件電路簡單，系統(tǒng)成本較低，具有很高的實用性。通過此系統(tǒng)對蔬菜大棚實時監(jiān)測和控制，保證蔬菜的良好生長環(huán)境，以獲得高質(zhì)量及高收益的產(chǎn)量，對蔬菜大棚的手動、自動灌溉模式的選擇使得灌溉方式更具靈活性，減少了對人力資源的輸出，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的自動化發(fā)展，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益，值得廣泛推行。

參考文獻(xiàn)

[1]濮少翔，周愷.智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2016（03）.

[2]劉柳，姚超.基于STC89C51與DS18B20溫度傳感器的溫控系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2015（06）.

作者單位

西華師范大學(xué) 四川省南充市 637000