溫室大棚花卉智能監控系統設計

趙尚飛，陳立萬，符譯丹，歐 俊，張 穎（重慶三峽學院，重慶 404120）

當今社會科技發展飛快，隨著人民生活水平的提高，鮮花成為了節日表達情感的首選，也是家庭裝飾與美化的重要元素之一。為了培養不同季節的鮮花，人們將科技與花卉種植相結合，通過科技手段創造花卉適宜的生長環境。在土壤肥沃的前提下，花卉更容易受到外界環境多種生長要素的影響，比如空氣溫濕度、CO2濃度、光強度、土壤濕度、風速等。不同品種的花卉，對環境的要求也不盡相同。科技手段使溫室大棚培養花卉成為可能，通過監控花卉成長條件，培育出不同季節生長的花卉。通過設計集溫度、濕度、CO2濃度、光強度的多種傳感器的監控系統，通過監控花卉生長環境指標，減少了長時間人力物力的投入，培育出不同節日期間所需要的花卉，滿足市場需求。

系統方案設計

筆者設計溫室大棚花卉智能監控系統，要求能根據土壤濕度、光強度、CO2濃度和空氣溫濕度的條件，自動調整花卉生長環境。在種植者忙碌或外出無法及時看護時，可通過手機終端查看溫室溫室大棚花卉的生長環境，必要時可以通過手機遠程終端調整花卉環境條件。系統設計要實現的目標有以下3點：

（1）傳感器能夠實時、準確地檢測采集環境溫濕度、CO2濃度、光強度、土壤濕度等信息，將采集的數據傳給單片機控制中心。

（2）根據花卉培養手冊，設定空氣溫濕度、CO2濃度、光強度、土壤濕度上下極限值。通過單片機控制中心自動控制環控設備運作，調控花卉生長環境。

（3）終端遠程監控，單片機控制中心將采集的環境數據經無線網絡傳送到手機終端，用戶通過手機終端查看溫室大棚花卉的生長環境。

土壤濕度、CO2濃度、光強度和空氣溫濕度是影響花卉生長環境的必要因素，筆者對于以上生長要素開展模塊化設計。花卉監控系統由單片機控制模塊、傳感器采集模塊、負載控制模塊、WIFI模塊、網絡云平臺和遠程終端構成。溫室大棚花卉系統模塊化框圖如圖1所示。

圖1 溫室大棚花卉系統模塊化框圖

系統供電后，單片機、溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、土壤濕度傳感器開始工作，環控設備未開始運作，單片機不斷獲取各傳感器采集的信息。隨著環境條件的改變，當環境參數超出設定的閾值范圍時，環控電路開始運作，單片機通過WIFI模塊發送數據給手機APP或者PC終端，方便工作人員監控花卉生長情況、及時處理模塊故障。

硬件設計

在系統硬件設計中，采用靈活的8位CPU和系統可編程的FLASH微控制器STC89C52芯片。該芯片具有8K字節可編程可擦除只讀寄存器、數據存儲器、串口通信、串口外設接口、模數轉換、脈沖寬度調制等模塊，芯片性能高、功耗小。溫度傳感器模塊采用DHT11傳感器，DHT11傳感器具有可靠性高和穩定性長等優點。該元器件精度滿足花卉生長條件范圍，系統設計采用該傳感器測量環境溫濕度，采用串行數據的傳輸方式進行數據的傳輸。

光照傳感器模塊采用GY-30光強度傳感器模塊，對于太陽光，白熾燈等光源進行檢測，通用光照檢測模塊，內置16bitAD轉換器，可以直接數字信號量輸出，精度可選。GY-30光強度傳感器能準確便捷地采集環境光強度，內置電平轉換，即可得到光照數據。該模塊支持低電壓供電，可與5V單片機IO口直接連接。

CO2傳感器模塊采用紅外CO2傳感器，該器件抗振性能好，結構簡單。通過分析波長的紅外光強度以此得到CO2氣體的濃度。

土壤濕度傳感器模塊采用電阻式土壤濕度傳感器FC-28，通過測量土壤濕度的傳感器所分的電壓，計算土壤的電阻值，土壤濕度大小與電阻阻值成正相關[2]。使用模數轉換芯片ADC0832將傳感器所分的電壓值換算成數字量，該芯片與單片機相連即可得到土壤濕度值。

WIFI模塊系統采用ESP8266無線通信模塊為媒介便于單片機接入網絡云平臺，該器件工作范圍大、穩定性強、成本低且具有自組網功能。通過通信協議實現單片機與網絡云平臺的聯通。

軟件系統

單片機控制流程

在keil5軟件平臺上用C語言編寫程序代碼實現各模塊功能，模塊化設計，程序編譯開發簡單，易于修改。程序設定環境參數范圍，完成溫室大棚花卉環境傳感器數據采集，對超出閾值設定的環境變量調整，控制繼電器環控設備運行。

單片機供電后，系統串口初始化，光照傳感器采集光源強度，光源不足時，打開光源補光，滿足光照條件時，關閉光源；CO2傳感器測量空氣CO2濃度，高于上限值時，通過風扇通風降低CO2濃度，低于下限值時，CO2發生器自動打開，及時補充室內CO2濃度；溫濕度傳感器采集空氣溫濕度，高于上限值時，風扇通風降溫，低于下限值時，電加熱器加熱升溫；土壤濕度傳感器測量土壤濕度，高于上限值時，風扇通風除濕，低于下限值時，灑水加濕；隨后程序無限循獲取環境數據，單片機控制流程如圖2所示。

圖2 單片機控制流程圖

主函數程序

編寫主程序，設置WIFI模塊工作模式，設置為路由器模式，單片機串口初始化，將負載設備電路置于空閑狀態，進入程序循環，執行溫度程序控制模塊，當溫濕度傳感器監測數據不滿足溫度上下限值時，調用溫度上下限比較控制函數，使得監測數據維持在上下范圍內；執行光強度程序控制模塊，當光傳感器測量數據不滿足光照條件時，調用光源比較控制函數，使得監測數據滿足光照條件；執行土壤濕度程序監測模塊，當土壤濕度傳感器測得數據不滿足濕度上下限值時，調用濕度上下限比較控制函數，使得監測數據維持在上下限范圍內；執行CO2濃度程序監測模塊，使得監測數據維持在上下限范圍內；執行WIFI程序模塊，調用通信函數傳輸各傳感器監測數據，或接受手機APP指令調用傳感器模塊函數，執行完一次循環，隨后進入無限循環。條件滿足時，系統執行指定程序段，實現相應功能；條件不滿足時，循環等待。主函數代碼如圖3所示。

圖3 主函數代碼

手機APP開發

手機APP程序設計采用E4A開發平臺中文語言編寫。其主要功能是監測溫室大棚花卉環境數據及負載運行情況。溫室大棚花卉智能監控系統流程如圖4所示。其主頁面設有“溫度”“土壤濕度”“CO2濃度”“光強度”等環境數據顯示，同時設有“刷新”功能，一鍵獲取當前數據設置和負載運作狀態的實時顯示。用戶通過手機APP監控溫室大棚花卉的實時數據，手機端通過網絡云平臺接受單片機傳來的數據，并顯示在手機APP上。

圖4 溫室大棚花卉智能監控系統

功能分析

手機APP監控

溫室大棚花卉智能監控系統設計通過網絡云平臺、手機APP實現花卉的環境監控。單片機通過通信模塊與手機APP進行信息交互，實時查看溫室大棚花卉溫度、CO2濃度、光強度、土壤濕度等數據，必要時接受手機APP發出的動作指令，可控制繼電器負載運作。在不同條件下，進行測試，對比數據組分析，系統監測精度高、控制效果好。手機APP監控數據界面如圖5所示。打開手機APP，點擊刷新按鈕，獲取溫室大棚最新環境數據，通過觀測數據查看環境情況。必要時，打開手動開關，對需要改善的環境數據進行調整。

圖5 手機APP監控數據界面

負載控制

通過測試繼電器電路開合和釋放，自動控制負載運作，以溫濕度調整繼電器自動控制為例，夏季花卉開花適宜溫度范圍一般為10～25℃，根據不同花卉生長環境溫度程序設定溫濕度的上限值與下限值，隨著日出，溫度上升至30℃時，溫室大棚需要通風降溫。溫度調節顯示如圖6所示。

圖6 溫度調節顯示

若空氣溫濕度超過設定上限值，則自動打開風扇進行通風降溫。若空氣溫濕度低于設定下限值，則自動打開電加熱器升溫。依照程序設定，在DHT11傳感器處吹熱風，使溫度高于設定上限值，則風扇自動打開，指示燈顯示黃燈表示風扇正常運作。

總結

溫室大棚花卉監控系統以網絡為平臺，運用物聯網等技術，滿足種植者實際使用需求。該系統設計成本低廉，故障少，維護方便，操作簡單。同時對設施花卉生長關鍵指標（溫濕度、CO2濃度、光強度、土壤濕度）進行監測與收集，通過手機終端進行智能控制。該系統有效解決了溫室大棚花卉無人值守時花卉養護問題，能夠保證適宜的花卉生長環境，使得花卉種植更智能，滿足花卉種植戶需求。