農用溫度監測及報警系統的研究與設計

郭昊坤

（江陰職業技術學院 電子信息工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引 言

隨著科技水平的不斷提升，人們對生活質量的要求也隨之升高，希望一年四季都能享用自己喜愛的菜肴，這對新農村建設和農業現代信息化建設提出了新的要求。而現代農業又同時面臨著農民逐漸減少及老齡化等問題[1,2]。現代農業的發展迎來了新的挑戰和機遇，如何保證蔬菜、水果、牲禽等的合適培養環境成為重要問題之一。

為保證各類農業生產的適宜環境溫度[3,4]，有必要設計一種農用恒溫控制系統。又因為近年來惡劣氣候頻繁出現，在極其惡劣的壞境下很多農業設備無法正常運轉，因此有必要在系統中加入報警模塊，以便長時間達不到合適溫度時進行報警，提醒農民采取應急措施，減少損失。

1 總體方案

本文主要設計了一種農用恒溫控制及報警系統裝置，裝置正常工作時可實時監測外界溫度，與所設定的閾值及允許誤差范圍相比較，若誤差超出允許范圍則控制相應設備運行以便調節溫度，直至誤差調節到允許范圍后停止，且當溫度在一定時間內無法達到允許誤差范圍內時報警，提醒農民查看相關設備是否損壞，以便及時采取應急措施，減少損失。裝置整體運行如圖1所示。

圖1 裝置整體運行框圖

2 關鍵模塊設計

裝置主要包含單片機控制系統、電源模塊以及報警系統三部分。

2.1 控制系統

單片機控制系統主要用于監測實時溫度，將相關溫度信號轉化為電信號，與所設定的閾值及允許誤差范圍相比較，向溫度控制設備發送運行或停止命令。若長時間達不到正常溫度，則報警系統報警。單片機控制系統如圖2所示。

圖2 單片機控制系統框圖

系統采用PID控制器進行自動調節控制，PID控制器結構簡單、容易實現、自動調節效果較好，已被廣泛應用于工業控制中，其控制結構如圖3所示。

圖3 PID控制器結構圖

按系統框圖設計其具體電路，如圖4所示。

2.2 電源模塊

由于農村地理位置相對空曠，陽光照射條件較好，可采用太陽能光伏電源與鋰電池相配合的電源模塊[5,6]來給系統供電，其結構如圖5所示。

圖4 單片機控制系統電路圖

圖5 電源模塊結構框圖

RT9525充電管理芯片及其外圍電路可實現對所述單節鋰電池的充放電管理，當芯片檢測到輸入管腳（VIN）的電壓較大時，將給電力設備供電，以及為鋰電池充電；當芯片檢測到VIN管腳的電壓僅夠向電力設備提供電能時，優先給裝置供電，停止對鋰電池充電；當芯片檢測到VIN管腳的電壓小于裝置供電時，RT9525充電管理芯片控制鋰電池放電給裝置供電。整個運行過程可使裝置得到安全穩定不間斷的電能[7-10]。

2.3 報警系統

報警系統主要由RF射頻模塊及后臺上位機構成，系統在正常工作無需報警的情況下，射頻模塊每隔15分鐘便利用ZigBee協議發送溫度數據至后臺上位機并保存，當超過1小時溫度還無法達到規定誤差范圍時，射頻模塊在發送溫度數據的同時激發后臺上位機相關程序報警，提醒農民采取應急措施。

3 實例驗證

將設計的裝置置于某蔬菜大棚進行實驗驗證，設定標準溫度閾值15℃，誤差不超過0.5℃，運行一段時間后，讀取后臺上位機所保存的溫度數據，圖6所示為有代表性的兩裝置在某一天24小時內的溫度數據，其中橫坐標為時間，縱坐標為溫度。

如圖6（a）所示，裝置運行正常，且溫度控制設備未損壞，溫度一直控制在允許誤差范圍內，超出誤差范圍后也可迅速調節至標準范圍內，無報警記錄，裝置正確有效。如圖6（b）所示，裝置運行正常，但溫度控制設備在某一時間出現故障，查報警數據后發現溫度在1小時內未達到標準，有報警記錄，經簡單檢查，發現溫度控制設備電源出現故障，搶修1小時后恢復正常，裝置正確有效。

圖6 蔬菜大棚溫度監測數據

4 結 語

隨著科技水平的不斷提升，人們對生活質量的要求也隨之升高，這對新農村建設和農業現代信息化建設提出了新的要求。本文設計了一種農用恒溫控制及報警系統裝置，裝置在正常工作時可實時監測外界溫度，與所設定的閾值及允許誤差范圍相比，若誤差超出允許范圍則控制相應設備運行以便調節溫度，直至誤差調節到允許范圍后停止運行。若溫度在一定時間內還達不到允許誤差范圍，則報警，提醒相關設備可能由于天氣等原因損壞，應及時采取應急措施，減少損失。正常運行時，裝置能實時記錄溫度數據，未出現誤報警現象，當溫度控制設備出現故障時，裝置能正確發出報警信號。經實驗驗證，所設計的裝置正確有效，能滿足農業生產需求。

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