基于51單片機的智能農業大棚的實踐應用

耿玉菊

（河北衡水學院 數學與計算機學院， 河北 衡水 053000）

針對目前農業大棚發展的趨勢，提出了一種智能農業大棚系統的設計，從而實現智能監控管理的功效?；?1單片機的智能農業大棚監控系統由前端部分來完成對環境監測因子的含量的監測，監測因子包括溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度等環境參數。監測因子通過數據處理轉換后，通過TCP/IP協議向服務器傳輸數據，服務器實現數據的接收、過濾、存儲、處理、統計分析，實時數據查詢，并實現超閾值報警及發出相應控制命令。

1 系統設計原理及總體架構

系統功能由感知層、傳輸層、應用層三大部分協調完成，感知層主要完成各種傳感器信號的采集、格式轉換等；傳輸層通過TCP/IP協議向服務器傳輸實時數據；應用層主要完成數據的整理、顯示及控制功能。

1.1 系統設計原理

基于51單片機的智能農業大棚監控系統感知層實時地將現場的光照強度、空氣溫濕度、土壤溫濕度等數據采集到采集監控節點內，根據實時數據實現采集點現場的超閾值自動報警，防止事故的發生。采集監控節點與自帶TCP/IP功能的主控器相連，從而實現與服務器通信。服務器主要由PC機和上位機軟件構成，它實現對數據的總體監測及遠程控制。

1.2 總體架構

根據項目要求和具體市場需求，下位機通信選用RS－485通信協議。大棚監控系統總體架構分為三層。感知層采集監控點使用模塊化下位和控制單元，便于系統擴展；傳輸層以51系列單片機為中間主控制器，選用主控器自帶TCP/IP 功能與服務器通信，自帶RS485通信功能連接下位數據采集與控制單元；應用層上位服務器直接面向網絡，保存下位采集數據。系統總體架構如圖所示。

總體架構圖

1.2.1 采集器功能

（1）實時可靠地采集大棚現場中大棚光照強度，空氣溫濕度，土壤溫濕度數據。（2）數據的采集處理、格式轉換及采集存儲。（3）接收并識別主控制器發來的指令，向上層傳遞數據。

1.2.2 控制器功能

（1）接收并分析主控制器控制指令。（2）譯碼控制指令并執行。

1.2.3 主控制器功能

（1）測量數據采集和監測

使用RS－485傳輸，通過串口與采集監控點通信，收集監控點監測的大棚環境數據。如果監控節點測量到的數據超出了預設的環境參數范圍，由主控制器輸出控制指令或報警信號，實現對大棚光照、空氣溫濕度、土壤溫濕度的調節控制。

（2）測量數據存儲和傳送

使用51單片機完成主控制器功能，留存各監控節點的數據于外插的SD卡中，并將存儲數據傳送到PC機上。數據用于后期數據整理，主要含存儲、過濾、處理、統計分析，作為未來調整大棚系統及設施改進的依據。

（3）以太網通信及監控節點控制

主控制器與服務器之間通過以太網通信，選擇的主控制器上需要帶有以太網接口，完成以太網通信，并完成相應的控制反饋。

1.2.4 服務器功能

（1）網絡示范網站服務器，實現對數據的接收、存儲、顯示、數據請求以及圖表顯示、報表打印輸出等信息管理工作，并進行特殊情況的監控中心預警以及通過上位機軟件方便地訪問實時和歷史數據。

（2）與各主控制器的網絡通信。

1.3 器件選型

傳感器選型：PTS－2環境濕度傳感器，DS18B20環境、土壤溫度傳感器，TDR－3型土壤水分傳感器，TBQ－6型光照強度傳感器。

控制器選型：下位采集器選用C8051F350，下位控制器選用C8051F310。

2 智能農業大棚監控系統硬件設計

硬件系統主要完成三部分的設計：大棚內部環境參數的采集，控制設備的執行，服務器的信息匯總。傳感器完成數據的采集、上傳；采集器將傳感器數據封裝并發送到主控制器；主控制器接收傳感器數據，并連接相應的執行設備，依據采集的實時數據和控制指令完成對大棚執行設備的控制，包括噴水系統、空氣調節系統等； PC機和上位機軟件完成信息的匯總統計，實現服務器的功能。輔助電路設計主要完成電源電路、RS－485通信接口電路、系統硬件抗干擾電路、電源、接口電路及電路板的設計。

3 智能農業大棚監控系統軟件設計

3.1 數據采集、存儲服務設計

數據采集程序通過監控節點的傳感器按照一定的周期間隔采樣實時數據，將采集到的結果解析、分類、匯總、統計，寫入SQLite數據庫。

3.2 網絡服務與控制設計

網絡服務由嵌入式Web服務器和CGI腳本程序來完成?？刂撇糠职瑢ψx取的標準數據進行分析整理，支持多種查詢顯示，通過圖形化界面，以表格和曲線的方式將傳感器數據顯示，依據相應控制理論，完成超出閾值警告，并發出監控命令，實現對執行設備的自動化控制。

4 結束語

總之，整個系統安全、可靠，實現了高效智能監控。依據系統技術指標選擇了合適的溫濕度參數傳感器、數據采集器和控制器；通信部分選擇了RS485通信協議；應用層面向網絡服務，完成了數據處理及控制功能。實際測試表明，該系統能夠準確采集到農業大棚內的溫濕度、光照強度數據，能夠成功的發送給51單片機，并能實現相應控制，在智能農業領域有著廣闊的發展空間。