微型荷花室內生長栽培測控系統設計分析

邵奕維　張旭　詹開元　梁銘浩　鐘聞宇

摘 要 為保證微型荷花在室內有效生長，采用現代電子技術，設計一套監控微型荷花生長的智能測控系統，將高精度光照傳感器、溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器及灌溉、加熱和補光燈等設備與單片機結合，實時監視微型荷花生長過程中的溫濕度、光照度等生長要素，并進行調控，使微型荷花在脫離野外的環境下也能正常生長。

關鍵詞 微型荷花;傳感器;測控系統

中圖分類號：F313 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.06.107

野生荷花對溫度、濕度、光照強度、土壤及其營養元素含量要求較高，這些因素直接影響到荷花的成活率及開花率。荷花在我國南方地區較為常見，北方地區在夏季也有荷塘種植荷花。近年來，反季節荷花栽培技術不斷發展，但仍需在溫室大棚大批量栽培情況下才得以成功，少量微型荷花種植還受各種因素影響，沒有得到有效推廣。隨著單片機技術及傳感器技術的發展，反季節微型荷花栽培技術不斷成熟，設備成本不斷降低，單個或少量微型荷花的反季節栽培已不是奢望[1]。

為實現微型荷花室內栽培，將溫濕度傳感器、土壤綜合傳感器、光照傳感器、植物生長補光燈、加熱設備、微型灌溉裝置與單片機結合，設計一套智能調控微型荷花生長環境的測控系統，使微型荷花能夠在春季、秋季和冬季在室內正常生長并開花。

1 硬件設計

根據微型荷花栽培監控系統的構成，檢測與控制設備構成圖如圖1所示。

1.1 STC51單片機

本系統選用德飛萊的LY-51S單片機開發板。此開發板不僅能夠與各種接口的傳感器元件連接，功能豐富，而且具有RS485通訊接口，可以與多個485接口的傳感器相連接，采集溫濕度、光照強度等信號，節省擴展設備和空間，且很容易添加網絡功能，適合今后深度開發。

1.2 PR-3000-TR-485土壤綜合傳感器

PR-3000-TR-485土壤綜合傳感器可長期埋入土壤中，耐長期電解，耐腐蝕，防水防腐蝕。控制芯片采用高精度16位進口處理器，采樣精度高，運算速度高效。此傳感器可以同時檢測土壤溫濕度和氮磷鉀含量，通過RS485總線和Modbus通信協議傳輸信號，方便快捷[2]。

1.3 BH1750FVI光照傳感器

BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路，接線簡單，易于安裝，可滿足荷花生長光照的調控。

1.4 土壤pH傳感器

采用485型土壤pH傳感器，通過檢測花盆中的pH值，及時調整土壤酸堿度，滿足微型荷花生長需要。傳感器內的輸入電源、感應探頭、信號輸出三部分完全隔離。

1.5 水位傳感器和潛水泵模塊

該模塊采用水位傳感器，當栽培皿中的水位低于適合荷花生長環境的水位時，水位傳感器向CPU發送補水信號，CPU控制繼電器打開潛水泵開始進水，到達合適水位停止進水。

1.6 補光燈

該模塊用于調節荷花生長環境的光照強度，根據微型荷花不同生長時期光照強度需求進行補光，補光時長及方式由程序來控制。該模塊可在線實時24 h連續采集和記錄監測點溫度、光照情況。

1.7 LCD12864液晶屏

該模塊分辨率高，接口方式靈活，操作簡便，易于與單片機開發板連接，能夠迅速構成全中文人機交互圖形界面，可以完成更多的圖形顯示，可以讓人們直觀了解微型荷花的生長環境各項指標。

2 軟件程序設計

程序運行首先初始化所有參數，然后循環掃描溫濕度傳感器、光照傳感器等傳感器信息，并在LCD12864液晶屏上顯示，將實時值與預先設置的參數比較，單片機CPU根據微型荷花不同生長時期的各項指標要求，利用預設公式控制加熱器、補光燈、灌溉設備進行溫濕度光照調節。系統總體流程圖如圖2所示。

2.1 系統軟件總體結構

本系統軟件的整體功能通過模塊化設計理念來實現，主要由主程序、參數設置、數據采集顯示和控制處理四個模塊組成，這些模塊除了具備自己特定功能外，相互之間既獨立又相互關聯。

2.2 主程序模塊

主程序模塊主要負責系統初始化和其他模塊的調用。

2.3 參數設置模塊

微型荷花生長過程中需要的溫度、光照、pH值、氮磷鉀等參數均由此模塊來設置并調整。可按照栽種、抽葉、抽鞭、花蕾、開花等不同階段分別設置相關參數，并將數據匯總在一起，讓人們能夠更直觀地了解微型荷花的生長情況。

2.4 數據采集顯示模塊

所有選擇的傳感器均采用RS485方式傳輸數據，通過單片機485端口采集數據，按照預先定義的Modbus通信協議將數據剝離，并在顯示屏中顯示出來。

本部分是整個測控系統的重要部分，通過土壤綜合傳感器采集土壤溫度、濕度和氮磷鉀含量值;光照傳感器反映當前光照度;水位傳感器返回的測量值決定是否需要進水;根據pH值傳感器的測量值確定是否進行土壤酸堿度調整[3]。

2.5 控制處理模塊

此部分將采集的溫濕度、光照度、氮磷鉀、水位等信息與預設值進行比對，不滿足要求時，通過控制加熱帶、補光燈、水泵等設備進行環境條件調控，以滿足微型荷花的正常生長需求。

3 仿真與調試

在整體設計過程中，仿真與調試是不可缺少的環節，可節省大量安裝調試環節。Proteus很好地解決了這個問題。它具有功能很強的ISIS智能原理圖系統，操作工具也很豐富，原理圖設計完成后，只需要一鍵便可進入設計環境，從而實現從概念到產品的完整設計，不僅能方便地完成單片機系統的硬件設計、軟件設計、單片機源代碼的調試與仿真，還支持第三方的軟件編譯和調試。使用Proteusd軟件對電路原理圖進行仿真，將每一個部件分別進行仿真與測試，可以看出每個部件運行時的工作狀態，方便日后連接實物找出故障點[4]。對LCD12864的仿真如圖3所示。

參考文獻：

[1] 徐明崗，于榮，王伯仁.土壤活性有機質的研究進展[J].土壤肥料，2000（06）：3-7.

[2] 盛學斌，趙玉萍.草場生物量對土壤有機質的影響[J].土壤通報，1997（06）：5-6.

[3] 張茂青.AVR單片機高級語言BASCOM程序設計與應用[M].北京：北京航天航空大學出版社，2005：213-214.

[4] 李伏生，康紹忠，張富倉.大氣CO2濃度和溫度升高對作物生理生態的影響[J].應用生態學報，2002（09）：1169-1173.

（責任編輯：趙中正）