基于單片機(jī)的日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

郭佳盛，邢婷婷

（福建農(nóng)林大學(xué) 東方學(xué)院信息工程系，福建 福州 350125）

隨著單體溫室到連棟溫室的發(fā)展，溫室內(nèi)需要控制的參數(shù)不斷增加，對(duì)溫室提出了新的要求。本設(shè)計(jì)利用核心單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制溫室各參數(shù)調(diào)節(jié)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示、分析和處理，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)和返回的控制命令利用無(wú)線通訊技術(shù)進(jìn)行傳輸，解決了溫室中總線布局的技術(shù)難點(diǎn)，為植物營(yíng)造一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

1 需求分析

與大型現(xiàn)代溫室不同，普通的溫室控制系統(tǒng)由于其自身的結(jié)構(gòu)和特性而具有相對(duì)有限的可控環(huán)境因素。在這個(gè)階段，大多數(shù)的溫室調(diào)控系統(tǒng)使用的方法是手動(dòng)或簡(jiǎn)單的機(jī)械操作。因此，可以通過(guò)單片機(jī)技術(shù)，按照預(yù)先設(shè)定的理想值來(lái)實(shí)時(shí)的對(duì)溫度、濕度以及土壤水分等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，給作物營(yíng)造一個(gè)最適合生長(zhǎng)的環(huán)境，提高溫室系統(tǒng)的生產(chǎn)。

2 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是一個(gè)日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)傳感器對(duì)溫室內(nèi)各參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如土壤水分、空氣濕度、日照強(qiáng)度等。數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后將所測(cè)參數(shù)傳輸給核心單片機(jī)，并與預(yù)先設(shè)置好的理想值進(jìn)行比較，當(dāng)所測(cè)參數(shù)超出理想范圍時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警器并給出控制命令，直到將參數(shù)調(diào)整到最佳理想范圍內(nèi)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目為基于AT89C51單片機(jī)的溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括主體控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、溫度檢測(cè)模塊、濕度檢測(cè)模塊、土壤水分檢測(cè)模塊、二氧化碳檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊等。本系統(tǒng)將溫度檢測(cè)設(shè)置為優(yōu)先級(jí)，當(dāng)檢測(cè)到溫度超出預(yù)先設(shè)定的理想值范圍時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)天窗和適當(dāng)?shù)睦_(kāi)或關(guān)閉帷幕，并通過(guò)聲光報(bào)警器及時(shí)提醒。

圖1 技術(shù)路線

2.2 硬件設(shè)計(jì)

（1）溫度檢測(cè)模塊。溫度檢測(cè)模塊主要是對(duì)溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸給核心單片機(jī)，由單片機(jī)判斷所測(cè)溫度是否處于設(shè)定范圍。該系統(tǒng)的溫度傳感器采用價(jià)格相對(duì)實(shí)惠的PN結(jié)溫度傳感器，該傳感器具有良好的線性度和穩(wěn)定性，測(cè)量范圍為-55°C～150°C，滿足本系統(tǒng)對(duì)溫度檢測(cè)的要求。

（2）濕度檢測(cè)模塊。本系統(tǒng)的濕度檢測(cè)模塊使用金屬氧化物濕度傳感器來(lái)進(jìn)行濕度采集，濕度引起電阻的變化率均極大，滯后特性小，且感濕范圍涵蓋了1%RH的低濕度到100%RH的高濕度。另外，該傳感器對(duì)溫度的敏感度低，能在150℃的范圍內(nèi)檢測(cè)，因此溫度穩(wěn)定性高，所測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

（3）土壤水分檢測(cè)模塊。濕度檢測(cè)模塊主要是對(duì)溫室內(nèi)空氣濕度進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)于溫室，土壤水分的檢測(cè)也同樣重要。當(dāng)前使用的檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)使用電阻式土壤濕度傳感器，傳感器的測(cè)試值為-7.5 kPa～10 MPa的范圍，通過(guò)土壤濕度與傳感器輸出電阻之間的相關(guān)性，得到土壤濕度的測(cè)量值。精度達(dá)到0.3，頻率參數(shù)在傳輸過(guò)程中不易受干擾，但本系統(tǒng)采用電阻式傳感器足矣。

（4）二氧化碳檢測(cè)模塊。二氧化碳檢測(cè)模塊主要是對(duì)溫室系統(tǒng)內(nèi)的二氧化碳濃度進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊，該系統(tǒng)主要是通過(guò)MH-Z14紅外二氧化碳傳感器進(jìn)行檢測(cè)，該傳感器可控量程在0～5000 ppm，而可控精準(zhǔn)度為±75 ppm，量程及精準(zhǔn)度可以滿足該系統(tǒng)。

（5）報(bào)警模塊。本系統(tǒng)的報(bào)警模塊采用LED燈與蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到任一參數(shù)超出設(shè)定值范圍時(shí)，對(duì)應(yīng)參數(shù)的LED燈亮起，顯示溫室內(nèi)哪個(gè)參數(shù)異常，同時(shí)蜂鳴器響起，引起溫室管理人員的注意。當(dāng)溫室內(nèi)檢測(cè)參數(shù)均在設(shè)定的理想值范圍內(nèi)時(shí)，兩者均表現(xiàn)正常并且不做任何改變。

（6）數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要利用CP2200芯片將溫室系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并傳輸給單片機(jī)，等待單片機(jī)做出判斷，單片機(jī)將判斷后發(fā)出的命令通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸給各設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件部分包括主程序設(shè)定模塊、溫度控制程序、濕度控制程序、土壤水分含量控制程序、二氧化碳濃度控制程序，保證系統(tǒng)軟件的可拓展性可修改性。

（1）主程序設(shè)定。各個(gè)程序控制模塊按照模塊內(nèi)規(guī)定時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，將所得到的數(shù)據(jù)傳輸給核心單片機(jī)進(jìn)行分析，若沒(méi)有超出或者低于預(yù)設(shè)值范圍，則等待進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)檢測(cè)；當(dāng)其中數(shù)據(jù)不滿足預(yù)設(shè)值范圍時(shí)，則按照設(shè)定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行工作，其中溫度的優(yōu)先級(jí)最高，濕度次之，再者土壤水分含量，最后為二氧化碳濃度。當(dāng)檢測(cè)的參數(shù)有兩個(gè)或多個(gè)不滿足條件時(shí)，按照優(yōu)先等級(jí)執(zhí)行相應(yīng)中斷程序。

（2）溫度控制程序構(gòu)件。溫度控制程序采用定時(shí)器將時(shí)間設(shè)定為一分鐘，單片機(jī)初始化后每一分鐘通過(guò)傳感器對(duì)溫室內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析。當(dāng)下次檢測(cè)在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，恢復(fù)原始設(shè)置，若再次測(cè)量仍不在設(shè)定范圍內(nèi)，由單片機(jī)給出下步命令。若單片機(jī)初始化后檢測(cè)數(shù)據(jù)在設(shè)定范圍內(nèi)則等待一分鐘到達(dá)再次循環(huán)檢測(cè)。

（3）濕度控制程序構(gòu)件。濕度控制程序采用定時(shí)器將時(shí)間設(shè)定為兩分鐘，單片機(jī)初始化后每?jī)煞昼娡ㄟ^(guò)傳感器對(duì)溫室內(nèi)濕度進(jìn)行檢測(cè)，由單片機(jī)對(duì)采集數(shù)值進(jìn)行處理。若所測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)值，則單片機(jī)給出命令，打開(kāi)遮光布利用光照降低室內(nèi)的濕度；若低于預(yù)設(shè)值則適當(dāng)?shù)氖褂眉訚裱b置對(duì)空氣進(jìn)行加濕，待恢復(fù)預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)則恢復(fù)原始設(shè)置；若所測(cè)數(shù)據(jù)處于預(yù)設(shè)值則等待下一次檢測(cè)。

（4）土壤水分控制程序構(gòu)件。土壤水分含量控制程序采用定時(shí)器將時(shí)間設(shè)定為十分鐘，傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析。當(dāng)土壤水分含量超過(guò)預(yù)估值時(shí)，停止對(duì)土壤的水分供給，當(dāng)?shù)陀陬A(yù)設(shè)值時(shí)，按計(jì)算好的供給量給土壤供水，使得土壤含水量處于設(shè)置范圍內(nèi)，若土壤含水量在預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)則等待下一次的循環(huán)檢測(cè)。

（5）二氧化碳濃度控制程序構(gòu)件。二氧化碳濃度控制程序采用定時(shí)器將時(shí)間設(shè)定為五分鐘，當(dāng)測(cè)量值超出設(shè)定范圍時(shí)，單片機(jī)給出命令，控制打開(kāi)換氣裝置，適當(dāng)注入氧氣，使得空氣中的二氧化碳濃度下降，保持在設(shè)置的范圍內(nèi)。若當(dāng)時(shí)的二氧化碳濃度保持在預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)則保持狀態(tài)等待下一次的循環(huán)檢測(cè)。

3結(jié)語(yǔ)

本文介紹了日光溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)溫度、濕度、土壤濕度、二氧化碳等因素的自動(dòng)控制。本文是以AT89C51單片機(jī)作為核心的控制系統(tǒng)，成本低，運(yùn)行可靠，可有效提高日光溫室所帶來(lái)的生產(chǎn)效率，同時(shí)也降低資本。但是由于客觀條件和時(shí)間的限制，本課題的研究還存在很多不足，很多方面需要進(jìn)一步提高。