農業溫室大棚環境智慧監測系統設計

肖福娟，初曉藝，林 彬

（山東藥品食品職業學院 健康管理系，山東 威海 264120）

農業溫室大棚在我國現代化農業生產中有著舉足輕重的作用。目前，我國大部分溫室大棚的環境控制都是通過人為完成的，無法實現濕度過低時自動澆水，溫度過高時自動打開頂膜通風等，這導致了工作人員的勞動強度大大增加，而且效率不高[1-2]。

本文進行了農業溫室大棚環境智慧監測系統的設計，針對現階段我國溫室大棚的問題，可以遠程、無線監測溫度、濕度，并可以自動調節溫濕度。本系統的智能化高、自動化程度高，工作人員可以不用到現場就知道溫室大棚內的環境因素，并且通過設置參數，溫室大棚自動調節溫濕度，保持農作物快速生長的最佳環境參數。同時本系統中加入了自動存儲數據的功能，可以使工作人員查看過往數據，便于人員對大棚內溫濕度的了解，然后進行自動化調節。

1 系統總體設計

1.1 設計方案

本系統要解決的重點問題是：溫度、濕度的采集，信息的實時顯示，數據無線傳輸。系統的上位機是由PC機上的Labview編寫，下位機是由STC89C52單片機作為核心構成。Labview上位機是實現實時顯示溫濕度曲線的載體，下位機的主要功能是檢測溫濕度，控制超限時的一系列措施等等，具體設計方案如圖1。

圖1 系統結構圖

1.2 關鍵器件選型

1.2.1 溫濕度傳感器選型

用DS18B20來檢測溫度，YL-69檢測土壤濕度。DS18B20直接輸出數字信號[3]，檢測的結果可以用來直接顯示。

1.2.2 顯示屏選型

用LCD1602作為下位機的顯示屏，單個LCD1602液晶可以顯示很多字符，一個LCD1602顯示的內容就可以簡單明了地看到檢測的溫濕度。

1.2.3 無線通訊模塊選型

采用ZigBee模塊，ZigBee技術主要的特點是穩定、便宜、結構簡單。ZigBee技術從上到下主要分五層結構：應用層、網絡層、傳輸層、媒體訪問控制層和物理層[4-5]。另外，ZigBee的傳輸距離可達到一百至兩百米，完全能夠滿足本設計的需要。

2 系統硬件電路設計

2.1 最小系統電路

一般來說，時鐘電路、電源和復位電路是單片機最小系統的組成部分，同時也是單片機能正常工作的基本要求。本文選擇的是典型的最小系統配置。

2.2 數據采集模塊

2.2.1 DS18B20溫度傳感器電路

DS18B20是當前市面上最常用的數字溫度傳感器，其輸出量是9到12位的數字量，方便使用者進行數據處理，其測溫范圍是－55℃～+125℃，工作電源為3.0～5.5V。DS18B20傳感器采用單總線的接口方式，僅使用一條線與單片機P1.6口相連。

2.2.2 YL-69土壤濕度檢測電路

YL-69是濕敏電阻傳感器。當土壤中的濕度值發生變化時，濕敏電容R2數值會發生相應的變化，其兩端電壓會發生變化，使1IN+模擬輸出量發生變化的電壓數值與濕度值呈正比。但是其濕度值為模擬量需要ADC來將模擬量轉化為數字量。其電路原理圖如圖 2（a）。

ADC模數轉換芯片采用ADC0832。其芯片上的四個引腳DI、CLK、DO、CS與STC89C52通過三根線連接，CS為片選端口，CS與單片機的P1.4口相連，CLK口提供由單片機發出的ADC0832工作所需的時鐘脈沖，它與單片機的P1.1口相連；DI端口是進行數據信號選擇的端口，它與DO端口都連接到單片機的P1.3口。具體電路如圖 2（b）。

2.2.3 灌溉電路

本系統利用PNP型三極管Q1，當三極管的基極低于平時，繼電器通過電磁作用控制磁鐵閉合，水泵通電，開始工作，同時LED燈亮起，如圖2（c）灌溉電路。

2.2.4 頂膜電路

當溫度低于下限時，單片機控制步進電機正轉3圈從而達到閉合頂膜的目的；相反，當溫度超過上限時，單片機控制步進電機反轉3圈來達到打開頂膜的目的。

步進電機是利用非門電路ULN2003進行驅動的，ULN2003起到的最主要作用是電流放大，因為3.3V單片機的電流無法驅動5V的步進電機。具體如圖2（d）。

圖2 部分電路原理圖

2.2.5 下位機顯示電路

下位機采用LCD1602顯示具體的溫濕度以及溫濕度上下限，RT1滑動電阻可以調節LCD1602的背光程度。在LCD1602的第一行顯示濕度值與濕度上下限；第二行顯示溫度值與溫度上下限。具體的連接引腳如圖2（e）。

2.2.6 串口電路

單片機的RXD端口與ZigBee模塊的RXD端口相連，TXD與ZigBee模塊的RXD相連，將數據通過Zig－Bee模塊上傳至PC上的ZigBee模塊，從而將溫濕度數據通過上位機顯示出溫濕度曲線。具體的串口電路如圖2（f）。

3 程序分析與設計

3.1 下位機程序流程設計

3.1.1 主程序流程

主程序大體可以分為三個階段，這三個階段分別是：初始化各個部分階段、檢測濕度階段、檢測溫度階段。主程序流程如圖3。

圖3 下位機主程序流程圖

3.1.2 ZigBee無線傳輸流程

ZigBee的使用和調試，需要用到Flash Programmer軟件來實現對其物理地址的修改和程序下載，ZigBee的工作流程分為系統啟動、驅動初始化、OSAL初始化及啟動和進入任務循環幾個階段。具體流程如圖4。

圖4 ZigBee流程圖

3.2 上位機Labview設計

3.2.1 上位機總體結構

Labview作為編寫上位機的主流語言是最適合本系統的上位機軟件，控制部分與執行部分是本設計把上位機程序劃分的兩個部分。其中控制部分是人機交互界面即前面板，執行部分是后面板。系統的結構如圖5所示。

圖5 Labview程序結構

3.2.2 上位機程序

繪制出來的曲線將有兩個波形圖表，每個波形圖表有三條線：線A表示濕度上限和溫度上限；線B表示當前的溫度和當前的濕度；線C表示濕度下限和溫度下限。同時在波形圖表的右上角有當前溫濕度、溫濕度上下限的具體數值。在兩個波形圖的下端有歷史數據的文件存儲路徑。具體的前面板如圖6。

圖6 上位機前面板

在數據十六進制轉化為十進制以后，會將讀取的數據寫入Excel文件，以儲存歷史記錄。其存儲格式為：時間，當前溫度值，溫度上限，溫度下限，當前濕度值，濕度上限，濕度下限。

4 系統調試與分析

4.1 下位機調試

在完成下位機硬件設計與軟件設計以后，首先對LCD1602下位機顯示界面進行了調試。在LCD1602液晶屏上第一行顯示的是濕度、濕度上限、濕度下限；第二行顯示溫度、溫度上限、溫度下限。具體如圖7。

圖7 LCD1602界面

4.2 上位機調試

在通過無線通訊傳輸數據以后，通過上位機繪制波形圖如圖8。

圖8 上位機波形圖

其中，時間、當前溫度、溫度上限、溫度下限、當前濕度、濕度上限、濕度下限，以Excel形式存儲在硬盤中。

5 結束語

針對當前農業溫室大棚的環境監測問題，本文提出了以STC89C52單片機作為核心，分別采用數字傳感器DS18B2檢測溫室大棚的溫度，采用YL-69檢測濕度，通過顯示屏就地顯示溫濕度信息。并通過ZigBee無線通信的方式上傳至Labview上位機，在上位機繪制溫度、濕度曲線并存儲數據。當監測數值超出上下限時，由下位機自動進行溫濕度調節，并提醒工作人員進行關注。通過測試，本系統具有良好的實用性，推廣價值高。