基于嵌入式系統技術的溫室環境測控系統

鄭濤 王潔 朱建錫 費焱 徐文碩

摘 要：隨著溫室的大規模發展，對溫室智能監測與控制系統提出了更新、更高的要求。在現代智能監測與控制系統中，一個系統能否對溫室環境參數進行智能準確的監測和控制，決定了該系統的發展前景。本文應用AT89S52單片機，設計了一個能對溫室中的二氧化碳濃度、溫度、濕度參數實現準確測控的系統，并對系統的組成部分及各部分中使用的一些主要部件進行簡要說明。

關鍵詞：單片機；嵌入式系統；溫室環境；測控系統

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0038-02

Greenhouse Environment Measurement and Control System

Based on Embedded System Technology

ZHENG Tao WANG Jie ZHU Jianxi FEI Yan XU Wenshuo

（Zhejiang Provincial Agricultural Machinery Research Institute，Jinhua Zhejiang 321017）

Abstract： With the large-scale development of greenhouse， the intelligent detection and control system of greenhouse has been updated and higher. In the modern intelligent detection and control system， whether a system can monitor and control the greenhouse environment parameters intelligently and accurately determines the development prospect of the system. In this paper， AT89S52 single-chip microcomputer was used to design a system which could accurately measure and control the parameters of carbon dioxide concentration， temperature and humidity in greenhouse， and the components of the system and some main components used in each part were briefly described.

Keywords： single chip microcomputer；embedded system；greenhouse environment；measurement and control system

1 研究背景

在當前現代溫室逐漸呈現出規模化與集約化發展趨勢的大背景下[1]，針對溫室智能化管理提出了高標準的要求。所以，如果想要實現溫室、大棚高產，則需要準確監測溫室環境數據，包括空氣溫濕度及一氧化碳濃度等。

溫室環境控制具體指的是在免受外部氣候條件影響的基礎上，借助改變溫室內部環境因子為作物成長提供良好的環境條件，所涉及的控制技術由兩部分構成，即硬件結構與控制算法。由于單片機控制系統具有能全局管理、操作簡單、價格低廉等一些優點，所以其在溫室環境測控中得到了廣泛應用。

2 溫室環境測控系統設計

2.1 系統總體設計

系統下位機的核心為ATMEL公司生產的AT89S52單片機，其具備在線調試功能。應用本系統可以實時監測溫室、大棚中的空氣溫濕度及一氧化碳濃度等，并借助串口與上位機和主芯片進行通訊。系統整體框架結構具體可見圖1。

2.2 系統主芯片

本系統下位機的主芯片是AT89S52單片機。AT89S52單片機作為CMOS 8位微控制器，具有低功耗及高性能的優勢，其中的Flash存儲器可以在系統中編程。在設計中應用到了ATMEL公司提供的存儲器技術，確保了高密度性和非易失性，可以和工業80C51產品指令與引腳充分兼容。片上Flash能為程序存儲器于系統中編程提供支持，同時也適用于常規編程器。在單芯片中具備靈巧的8位CPU及在系統可編程Flash，從而保證AT89S52普遍應用于多種嵌入式控制應用系統中，其引腳圖如圖2所示。在本系統中，其可以接收、執行命令，并根據圖示箭頭方向進行數據流傳輸。

2.3 信號采集部分

本系統需要采集溫室空氣溫濕度與二氧化碳濃度，前者是通過SHT75溫濕度傳感器實現的，后者是通過MG811二氧化碳傳感器實現的。

SHT75溫濕度傳感器（見圖3）中包括電容式聚合體測濕元件及能隙式測溫元件各一個，同時在同一個芯片中和14位A/D轉換器、串行接口電路無縫連接，溫度量程為-40～123.8℃，而濕度量程則是0～100%RH。

SHT75溫濕度傳感器連接在微處理器中，借助C8051F120中的2個I/O接口可以和SCK引腳與DATA引腳連接起來，以達到數據交換的目的；VDD和3.3V電壓連接。而為了防止出現信號沖突，微處理器需要在低水平下驅動DATA，因此應于I/O電路之下。在DATA引腳中另外加裝上拉電阻，從而可以把信號提拉到高電平之上，并通過10kΩ電阻與3.3V電壓相連接。

MG811二氧化碳傳感器采用固體電解質電池原理。因其對二氧化碳有良好的靈敏度和選擇性，加之受溫濕度的變化影響較小及良好的穩定性和再現性，所以該傳感器被廣泛應用于空氣質量控制、發酵過程控制和溫室二氧化碳濃度監測等方面。MG811二氧化碳傳感器主要面向模擬數據進行輸出，應借助電流放大電路與轉換電路把采集量轉變成數字量，以確保主芯片可以進行有效識別。

2.4 下位機-上位機通信部分

因為本系統是借助上位機監測界面來采集控制傳感器數據，所以實時通信至關重要。在系統設計過程中主要應用RS-232串口通信協議完成通信操作，同時通過MAX232芯片轉換電平。RS-232能被應用于多方面，如連接打印機、鼠標及Modem，而且還能與工業儀器儀表相連接，主要是實現驅動以及改進連線。一般來說，RS-232對應傳輸長度或是速度都會大于標準值。RS-232只能用于PC串口及設備之間的點對點通信，最大通信距離約為15m。

2.5 下位機命令輸入與顯示部分

應用外設按鍵能采取外部中斷方式進行命令輸入，通過74HC148優先編碼器來編碼按鍵，同時輸入到主芯片中。在實踐應用中，為了最大程度地加強交互式功能，系統另外設置了液晶顯示器對命令執行結果予以顯示，如果傳感器數值大于警戒值，則LED燈會發出報警。

74HC148優先編碼器為16腳的集成芯片，是一個八線-三線優先級編碼器。通常情況下，在優先編碼器電路中能支持同時輸入編碼信號2個以上。然而，在設計優先編碼器的過程中，已針對全部輸入信號根據優先級別做出排序。如果同時有兩個及以上輸入信號，則優先編碼器根據優先級相對較高的輸入信號進行編碼。

2.6 上位機部分

上位機部分是借助串口和主芯片進行通信，設有一個可視化界面，具備交互功能。此外，其和數據庫相連接，能將歷史數據記錄下來，并進行管理。

3 結語

該系統實現了對溫室環境參數（二氧化碳濃度、環境溫度和環境濕度）的自動化監測，并能實現智能化存儲。該系統結構簡單、運行可靠、操作方便、成本低廉，完全可以滿足在現代溫室中進行上述三個參數的監測。但是，由于單片機控制結構采用的是集中式控制方式，各種性能都是集中于單片機中，因此，若單片機發生故障，則整個系統監測到的數據就會丟失。

參考文獻：

[1]陳建恩，王立人，苗香雯，等.溫室數據采集系統遠程通信接口設計研究[J].農業工程學報，2003（4）：259-263.