基于單片機的農業大棚控制系統設計

姜文卿 華有斌 錢曉山＊ 張艷平＊ 管禮軍 陳海東

（1、九江職業技術學院 電氣工程學院，江西 九江 332005 2、宜春學院 物理科學與工程技術學院，江西 宜春 336000）

近年來，農業大棚早已成為農業發展的一個重要組成部分，在全國，無論是發達地區還是偏遠地區，大棚的數量都在明顯增多，大棚的作用實際上是減少自然環境的影響，人為的控制這些因素，從而讓植物比原來生長的更好，在植物生長的周期中選擇合適的控制對于植物來說極為重要。據調查，現在的大部分農業大棚還是用傳統的方法，將溫度計和濕度計等一些能夠測量數值的工具掛在農業大棚內，記錄工具上的所有數據并進分析這些數據是否合格，最后用人為的方式去達到想要的結果；也可以使用電纜將外界傳感器收集到的數據錄入監控系統，這樣會造成大棚內各種線纜縱橫交錯，維護成本高，安全可靠性差，當收集了數據之后，收集者還要對周圍的環境參數進行分析，然后再到農業大棚中通過人工進行手動調節，雖然這樣可以提高大棚作物的產量，但是勞動生產效率會大大下降，從而影響到大棚作物的產量和質量。這種傳統的控制方式對作物生長狀況的改變難以及時做出反應，難以介入作物生長的內在規律，浪費人力資源且容易造成誤操作。因此，為了提高農業大棚中植物的產量和質量，并且要降低經營成本和人工操作的強度，設計出農業大棚智能監控系統，是提高農業大棚勞動生產效率的必然方法，也是所有工作人員的共同愿望。

1 系統硬件設計

本系統的智能管理部分,主要使用現場安裝的各種傳感器（溫濕度傳感器、CO2傳感器）對大棚內的環境參數進行實時在線監控, 主控制臺STM32 將得到的數據給系統管理中心,并同時對數據進行管理,再結合時間、季節、以及農作物的生長情況綜合得到一個系數,主控制器根據這個系數向各個控制器發送命令,實時報警。當傳感器檢測出來的數據高于或低于規定數據區間時,將會激活大棚內控制器的報警系統,隨后會驅動對應的執行元件工作，調整環境參數以達到最適?？刂葡到y的框圖如圖1 所示。

圖1 控制系統框圖

系統主要由3 個部分所構成, 分別為前端傳感器產品數據信息收集、中端嵌入式單片機控制系統與上位機監測、末端上位機的管理。前端數據分析信息收集,是傳感器節點負責對大棚內環境參數溫度、濕度與二氧化碳濃度的數據采集。傳感器節點是整個農業大棚監測系統中的最底層，負責完成大棚內環境信息的采集并對采集到的信號。控制系統中端是用STM32 單片機來收集采集的各種數據信息, 然后再上傳到云端,而上位機的監測則可以用手機、平板或者計算機,最后再靠來管理所收集的各種數據信息。數據采集的正確與否,關鍵在于傳感器的優劣,而當前市面上的一種數字式傳感器,由于具有集成度高、準確度高,以及精確度高等的優勢,常被作為工業、農業、軍事、醫療、氣象等重要領域。數字式感應器的在檢測準確度、線性程度以及統一性等領域方面具有優異的表現力,并且由于數字式感應器易于反復應用與更換,因此無須反復校正。本系統所用的感應器,就是這款數位式感應器。控制器采用的STM32 單片機的實時信息處理能力和管理功能,能將監控系統保持在一個穩定的工作狀態，進而將大大的提高農業大棚的產量和質量。單片機應用在這種控制系統中將成為一種終端機, 安裝到整個控制系統的某個節點上, 對現場信號進行實時的收集與管理,同時也具有極大的抗干擾能力和安全性,能在非常嚴酷的環境條件下高強度工作。上位機選擇平板電腦,它便于攜帶,方便實時監控數據。

該農業大棚監控系統的把MCU 作為核心芯片，采用STM32 單片機作為主要控制器，比以往的51 單片性能更好，這個系統的硬件設備到軟件設備功能都比較完善，人們使用起來也極其方便。與此同時，單片機內的RAM 區間還特意設置了一個具有雙重功能的地址區間，使用起來也很靈敏，這一特點也為使用者創造了極大的便利。以往的單片機并沒有乘法的功能，如果程序中需要乘法還需要對其進行子程序的調用，對使用者來說不僅增加了困難，而且也讓其不方便，現如今的系統還能節約經濟成本。

本文選用的DHT11 溫濕度傳感器與單片機接口連接非常簡單，并且功率消耗低，信號傳輸也較遠，大約20m 以上。這款擁有體積小、抗干擾能力強、功耗低、控制簡單等特征的溫濕度傳感器幾乎在所有領域都有極其廣泛的應用。下表使某測量中該溫濕度傳感器的測量誤差，可見該傳感器的測量效果較好，利于控制系統的設計與作用效果。如下表為某測量中該溫濕度傳感器的測量誤差，可見該傳感器的測量效果較好，利于控制系統的設計與作用效果。

2 系統軟件設計

該系統的軟件設計流程圖如圖2 所示。

圖2 軟件設計流程圖

通過C 語言對每個程序塊進行編程。如果想讓農業大棚里面的溫度和濕度數據測量精確，便需要使用極其靈敏的中斷響應控制，通過這種控制方法人們便可以輸入更多的信息來確定溫度、濕度、二氧化碳等參數的范圍。該控制系統在實際的應用過程中每隔一定的周期便會對農業大棚周圍的環境參數進行收集和觀察，并判斷這些數據是否符合標準，如果不符合便會發出警報提示工作人員。基于該系統的幫助下，能夠將農業大棚附近的參數保持在正常的范圍內。

3 參數調節

3.1 溫濕度調節

以黃瓜為例，大棚中溫濕度影響很重要，溫度是農作物生長的重要參數，溫度是影響酶的活性從而影響農作物的生長情況。濕度會影響農作物的水分，從而進一步影響作物各離子的濃度。溫室大棚控制中溫濕度之間有著耦合控制的關系，溫度和濕度會互相影響導致控制難度增加。調節規律如式(1)和表1 所示。

表1 溫濕度參數變化規律

其中，ψ代表濕度，T 代表溫度。

3.2 二氧化碳調節

本文將黃瓜中的二氧化碳參數作為例子進行展示。大氣中的CO2平均濃度為0.03 %，但大棚內因為植物可以進行光合作用降CO2的濃度，所以大棚內的二氧化碳濃度會低于0.03 %，嚴重影響植物的產量，以黃瓜為例，如果溫室內的二氧化碳含量提高到0.1%時，黃瓜可增產10%～20%。所以要及時的補充二氧化碳含量。補充二氧化碳的方法通常有三種：

3.2.1 化學反應法。目前利用化學反應性質產生二氧化碳的方法有很多，如利用稀硫酸與碳酸氫銨之間的反應產生二氧化碳。還有一種是通過燃燒液化石油氣、燃燒液化天然氣、燃燒白煤油等方法增加二氧化碳的含量。

3.2.2 發酵法。利用作物秸稈發酵產生的二氧化碳，對大棚內的二氧化碳進行補充。

3.2.3 采用瓶裝或罐裝的二氧化碳。本系統采用的是山東佐田氏生物科技有限公司生產的固體二氧化碳氣肥，是利用包衣后的硫酸鋁和碳酸鈣，按一定比例混合，遇水放出CO2的原理進行，該產品具有物理性狀好、化學性狀穩定、應用安全、方便易操作及肥效長等特點。本系統采用的是山東佐田氏生物科技有限公司生產的固體二氧化碳氣肥，是利用包衣后的硫酸鋁和碳酸鈣，按一定比例混合，遇水放出CO2的原理進行，該產品具有物理性狀好、化學性狀穩定、應用安全、方便易操作及肥效長等特點。使用紅外CO2傳感器6004，其優點是響應速度快，測量精度高、價格便宜，可以很好的滿足農戶的要求。該二氧化碳傳感器的系統主要由光學系統和外圍電路組成，其中，光學系統包括紅外光源、采樣氣室以及探測器，外圍電路包括STM32 單片機、光源驅動電路、電源電路、溫度采集電路、加熱模塊、濾波放大電路、A/D轉換電路、無線藍牙模塊以及上位機。二氧化碳濃度調節規律：日出后二氧化碳濃度快速下降，上午九點時降至196mg/m3左右，出現二氧化碳饑餓，這時候即使進行通風也不能夠滿足植物生長，這樣必須在大棚內添加有機肥以便二氧化碳濃度在1080～1473 mg/m3之間。

3.3 光照度調節

光照使蔬菜進行光合作用必不可缺的能源，光照強度的高低將會直接對蔬菜的光合作用產生影響，光照強度高，產量就高，光照強度低，產量就低。也有人用其他農作物進行實驗，當光照只有一半時，產量降到49.4%；光照只有三分之一時，產量急劇減少，只有原來的13%，這也進一步表明光照強度和產量之間成正比。

本文針對溫室大棚中植物不同光質比的補光特點選用LXD 系列可見光硅光電池中的LXD23 CV-R 硅光電池二極管和LXD23CV B 硅光電池二極管，分別用來檢測紅光和藍光的強度，同時選用基于BH1750FVI 的數字光模塊GY 3 0 來檢。測環境的光照強度。采用不同的光照傳感器來檢測不同的光照強度可以充分發揮各自的檢測優勢，對GY 3 0 而言對環境檢測范圍大、精度高等優點，LXD23 CV R 與LXD23CV B 對單色光強度檢測更有優勢。單色光色彩傳感器LXD23CV R 和LXD23CV B 是新型的半導體光敏原件，是由硅光電二極管和濾色器構成的一種傳感器。這兩種傳感器因為具有簡單的結構、強的抗干擾性能、高安全高可靠等特征，尤其是它的高靈敏度的色相感光，因而在檢測識別等方面具有很好的應用前景。(1)紅光光強傳感器。紅光光強檢測芯片采用LXD23CV-R，在對植物進行智能補光時檢測對應的光照強度，防止紅光補光過量或補光不足等現象。實物圖如圖3 所示。(2)藍光光強傳感器。藍光強檢測芯片采用LXD23CV-B，在對植物進行智能補光時檢測對應的光照強度，防止藍光補光過量或補光不足等現象。實物圖如圖4 所示。(3)環境光強傳感器。環境光強檢測芯片采用GY-30，GY-30 數字光照模塊是一種自帶驅動電路的、照射范圍高以及高分解的照度數字檢測器，它的測量范圍值在1-65536 勒克斯。對光照強度的測量中對光源的依賴較小，對紅外線的影響也比較小，并且測量光譜范圍肉眼可見。GY-30 光照傳感器的測光芯片是由半導體制造商ROHM 生產的BH1750FVI，該芯片不僅具有較高的分辨率，而且相比具有費用高、電路復雜、光強采集不理想等缺陷的傳統采光系統。BH1750FVI 具有明顯的優勢，前者使其測量的光強度范圍較大，后者采光強度和精度都比較高，并且BH1750 還具有實時性強、容易實現與集成等優點，使得GY 3 0 光照傳感器作為溫室大棚環境光強檢測模塊非常適合。

圖3 LXD23CV-R 傳感器實物圖

圖4 LXD23CV-B 傳感器實物圖

4 結論

本系統設計的基與STM32 單片機控制芯片，使用多種傳感器，采集溫濕度、二氧化碳濃度以及光強度等參數，從而使得人們對其可以進行實時控制與監測。采用收集到的數據對該系統進行深入的分析提供了精確的數據支持，從而使大棚組件進行智能管理，向現代化智能大棚發展，大大提高農作物產量。