智慧蔬菜大棚系統的設計

李凱麗，劉承乾，樊建強

（晉中信息學院，山西 太谷 030800）

近年來，隨著我國經濟的不斷發展，人民的生活水平也逐步提高，對生活質量的要求不斷提高。餐桌上的菜品也從單一走向了多元化，反季節蔬菜受到人們的廣泛歡迎，大棚種植的發展迎來了春天。但是，大棚種植也有許多注意事項，例如棚內溫濕度的變化將直接影響蔬菜的長勢。對于大棚種植來說，最重要的就是溫度與濕度的控制。

傳統的大棚溫濕度檢測與控制是由人來操作，測控精度不準確、人工勞動強度高，而且很難達到想要的效果。為了解決這些問題，采用單片機設計的溫濕度采集控制裝置，一方面可以節約人力資源，節省時間和投資；另一方面可以為植物的生長發育提供更為有利的環境。

1 基本原理

本文所設計的智慧蔬菜大棚系統重點對大棚內的溫濕度進行檢測與控制，用戶可以預設蔬菜適宜溫濕度，隨著大棚內溫度與濕度的變化，溫濕度傳感器采集相關數據并產生相應的反饋，再經過A/D轉換器變為數字信號，傳送給單片機，將當前數據通過顯示器顯示。如果環境中的溫濕度超過預設值的上下限，蜂鳴器就會報警，并通過控制相關設備將溫度濕度調整到適度范圍[1]。整體框圖見圖1，包括單片機、溫濕度傳感器、LCD顯示器、按鍵電路、報警電路等。

圖1 蔬菜大棚系統總體設計框圖Fig.1 The overall design block diagram of vegetable greenhouse system

2 硬件設計

采用單片機作為主控芯片所設計的智能蔬菜大棚成本低，受眾面積廣，適合普及，而且結構簡單，功耗低，處理能力強，體積小，便于安裝與控制。

蔬菜大棚系統中，溫濕度傳感器負責感知棚內環境信息，并將獲取到的感知結果傳輸給控制中心。單片機通過讀取溫濕度傳感器所發出的數據并決定是否采取對控制系統采取動作，并將數據發給LCD顯示模塊。顯示模塊顯示實時的溫度和濕度。報警電路主要由蜂鳴器完成報警，一旦環境中的溫度或者濕度超過設置的上下限，蜂鳴器報警，控制裝置啟動。控制裝置主要用來完成制冷、制熱、加濕、除濕等功能。

2.1 單片機

本設計選用AT89S51單片機，具有4K Bytes Flash片內程序存儲器、32個I/O口、128 bytes的RAM、看門狗（WDT）電路、5個中斷源與2個中斷優先級，兼容性較強。

2.2 溫濕度傳感器

DHT11是集溫濕度測量為一體的傳感器，應用專門的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有非常高的可靠性與穩定性。它由NTC測溫、電阻式濕度傳感器和一個高性能的MCU構成。DHT11傳感器采用串行接口、功耗低、響應快、信號傳輸距離遠、抗干擾能力，可以應用于各種惡劣的環境中，比較適合大棚內使用[2]。DHT11有4個引腳，其中1引腳接VCC，2引腳與單片機相接，3引腳不接，4引腳接GND，見圖2。

圖2 DHT11溫濕度傳感器Fig.2 The DHT11 T/H sensor

2.3 按鍵電路

溫濕度控制電路的設置主要通過對應的按鍵來調節，其中K2為調節預設溫度升高的按鈕，K3為調節預設溫度降低的按鈕，K4是調節預設濕度升高的按鈕，K5是調節預設濕度降低的按鈕，按鍵電路見圖3。

圖3 按鍵電路Fig.3 The key circuit

2.4 液晶顯示模塊

LCD1602可以顯示字母、數字和符號等，兩行16位，工作電為5 V。應用LCD1602作為顯示器具有功耗低，節能環保；簡便易攜，顯示明確；接口穩定，操作簡單；接收信號穩定，顯示效果好等優點[13]。

2.5 報警電路

接通電源后，指示燈亮，表明線路接通。采用傳感器進行數據檢測，然后將采集到數據進行A/D轉換、數字濾波，處理后的數據傳送給單片機，并與預設數值進行比較，檢測數值是否在給定范圍中，若超過上下限，蜂鳴器報警。本設計采用2個蜂鳴器進行報警，當溫度值超過設定范圍，第一個蜂鳴器報警；當濕度值超過設定范圍，第二個蜂鳴器鳴起；當溫度值和濕度值都超過設定范圍，2個蜂鳴器同時響起。正常狀態下，蜂鳴器不發出聲音。報警電路工作電路圖見圖4。

圖4 報警電路Fig.4 The alarm circuit

2.6 控制電路

當蔬菜大棚的溫濕度超過上下限時，繼電器控制電路將會判斷需要冷卻還是加熱，加濕還是除濕，并啟動相應的控制電路。當棚內溫度過高會導致水分蒸發過快，從而加劇干旱等情況，此時就需要在棚內加裝風扇或者風機進行降溫。當棚內溫度過低會導致作物生長緩慢，可以采用直接加熱管、法蘭式加熱管和重油加熱器等。在這些加熱器中，直接加熱管使用電加熱原理，里面的耐高溫絲在管中均勻分布，產生的熱量能夠快速傳遞到加熱管的表面，達到快速均勻加熱的效果。當棚內濕度過低，將會啟動自動噴水系統，為大棚進行加濕，并保證棚內各處濕度的均勻。當棚內濕度過高時，由于大棚較為封閉，透氣性不強，如果不及時進行除濕工作，不僅其中的作物生長會受到影響，內置設備也會被腐蝕，因此可以啟動除濕機和高效烘干系統給大棚除濕。

在運行時，實時溫濕度通過LCD顯示器顯示，一旦檢測到溫濕度不在標準范圍內，蜂鳴器就會啟動報警，提醒用戶數據異常；同時，相應的控制設備會自動運行，直到溫濕度數值恢復到預設值。本設計運用風扇或風機進行降溫，運用了直接加熱管為大棚保溫升溫，起到了均衡棚內溫度的作用；此外，采用自動噴水系統為大棚加濕，并采用了除濕機和高效烘干系統作為除濕設備，控制了大棚內的濕度。

3 軟件仿真

本設計采用Keil uVision4進行軟件仿真，包括設備運行過程中的主程序設計、DHT11子程序控制設計和按鍵電路子程序設計。

3.1 主程序設計

插上電源后，系統開始啟動，電源燈亮，蜂鳴器鳴叫表示系統開始運行，LCD顯示屏初始化，DHT11溫濕度傳感器開始讀取溫濕度值，自動檢測當前環境，如果當前環境中溫度或者濕度超過預設值，則蜂鳴器開始報警，控制設備自動啟動，自動調節當前溫度與濕度；反之，系統正常運轉，蜂鳴器不會報警。

3.2 DHT11程序控制設計

系統初始化后，會驅動DHT11開始工作，DHT11讀取當前的溫濕度值，然后進行數據處理，與預設溫濕度值進行比較，如果不在范圍內就顯示檢測出錯，然后對數據進行處理，轉給其他應用調節，如果檢測沒出錯，則繼續讀取，一直循環。

3.3 按鍵電路子程序設計

開機啟動程序后，若有按鍵按下，例如在進行預設值設置時，鍵盤電路會把數據傳給單片機，單片機顯示存儲數據并通過顯示屏顯示出來，完成設定。

4 系統測試

Protues是目前功能較強的單片機仿真工具，它不僅可以繪制電路原理圖，也可以將代碼寫入單片機里，還可以將外部電路組裝到一起進行仿真，支持單片機類型較多，元件庫豐富。

4.1 系統正常運行

點擊開始按鈕，LCD1602顯示屏第一行顯示T：30℃，H：20%，表示此時溫度為30℃，濕度為20%。第二行顯示X10，S35表示溫度的下限值為10℃，溫度的上限值為35℃；X20，S65表示濕度的下限值為20%，上限值為65%。可以看出此時溫度、濕度均在區間內，蜂鳴器不報警，該設備能夠準確顯示當前環境的溫度與濕度。

大部分蔬菜在10℃以下生長比較緩慢，因此初始狀態的溫度值下限設為10℃，對于特殊的蔬菜，可以根據需求適當調節下限值，也可以調整上限，使蔬菜在合適的環境中生長。濕度值下限20%，同樣也可以調節上下限。當檢測到當前數據連續超過默認值20次時，設備會發出報警信號。設備具體運行過程如下：當電源接通時，運行指示燈會亮起，表明此時設備已經開始處于工作狀態。顯示屏上會顯示當前的實時溫度值和濕度值，其中如果報警聲音沒有響起表示當前數據一切正常，系統正常運行見圖5。

圖5 系統正常運行Fig.5 The normal system operation

4.2 濕度異常

點擊開始按鈕，當前溫度是30℃，濕度是10%。溫度下限10℃，上限35℃，溫度正常。濕度下限20%，上限65%，濕度異常，所以蜂鳴器鳴起，而當設備發出報警信號時，提示此時的溫度或濕度其中一個有異常，控制濕度蜂鳴器工作，然后繼電器通電并自動開啟控制設備，對濕度進行調節，濕度異常見圖6。

圖6 濕度異常Fig.6 The humidity anomalies

4.3 溫度濕度均異常

點擊開始按鈕，當前的溫度為9℃，濕度為85%，均處于異常狀態，兩個蜂鳴器同時報警，通過控制設備調整后，如果數據恢復正常，蜂鳴器會停止報警，設備進入新的判斷和檢測狀態，如遇異常，再次重復上面的步驟，直至數據恢復正常。

5 結語

隨著經濟發展和生活水平的提高，人民群眾對蔬菜方面的需求不斷加大，越來越注重餐桌上菜品的新鮮度和多樣性。相比于露天蔬菜種植，蔬菜大棚具有優越的溫濕度控制性能，打破了季節和溫度的限制，老百姓能夠吃上更豐富的蔬菜。因此，蔬菜大棚具有良好的發展前景。本設計針對當前蔬菜大棚的發展情況，研究設計了智能蔬菜大棚系統，由AT89S51單片機、DHT11溫濕度傳感器、控制設備和報警電路等組成，當環境中的溫濕度超過上下限，就會啟動報警電路報警以及采取措施保障蔬菜大棚環境達到理想狀態。