基于單片機的農業(yè)大棚溫濕度采集控制系統(tǒng)的設計

史晨浩，李成創(chuàng)，余佳慶，裴翔毅，陳明淑

（西京學院，陜西西安，710123）

0 引言

傳統(tǒng)的農業(yè)生產方式比較單一，農業(yè)生產過程是人工監(jiān)控，信息的傳達比較滯后，不能夠進行實時地反饋，使得“溫室大棚變成了低效率、高成本的農業(yè)生產。”基于精準的傳感器進行監(jiān)測，利用云計算等技術進行多層次分析，并將分析指令與各種控制設備進行聯(lián)動完成農業(yè)生產、管理。可以有效地采集農業(yè)場所的空氣濕度、土壤濕度、溫室溫度、光照強度等環(huán)境因素，以便于為農產品的生長創(chuàng)造最佳條件，避免外界四季變化對其影響，并通過建設完成環(huán)境監(jiān)測、病蟲害監(jiān)控等功能。

1 總體方案設計與實施方案

根據(jù)農作物的生產過程中對生產管理的實際需求，以提高農業(yè)生產勞動效率為核心，按照農作物的產前、產中、產后全產業(yè)鏈條，打造數(shù)字農業(yè)建設方案。該“溫室大棚”溫濕度采集控制系統(tǒng)具有環(huán)境感知控制系統(tǒng)和反饋控制技術裝備等的設施農業(yè)物聯(lián)網感知控制技術體系與業(yè)務應用系統(tǒng)，可以實現(xiàn)監(jiān)控預警、肥/水/藥智能實施等。溫濕度采集控制方框圖如圖1 所示。

圖1 溫濕度控制方框圖

系統(tǒng)以單片機控制器為控制核心，以物聯(lián)網為連接回路、節(jié)點作為執(zhí)行單元有線連接各種檢測傳感器和執(zhí)行控制元件，從而完成在本地子系統(tǒng)的自動控制。溫室大棚云平臺通過網絡連接網關，對各子系統(tǒng)進行控制，平臺系統(tǒng)控制設計應按照手動控制、自動控制的模式實現(xiàn)遠程控制。

（1）以軟件平臺為基礎，實現(xiàn)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。通過現(xiàn)場網關遠程采集項目區(qū)域內的農業(yè)環(huán)境信息參數(shù)，如氣象信息、土壤信息、外圍設備等，用來顯示設備運行狀態(tài)。并對數(shù)據(jù)采用趨勢、報表等各種手段進行快速的展示，并進行顯示、分析、記錄、存儲、報警等功能。

農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)，實現(xiàn)包括大棚環(huán)境信息的采集，設施的遠程自動控制。視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)包括視頻信息采集、植物生長信息的采集、安防功能。自動氣象站實現(xiàn)小區(qū)域氣象信息的采集。戶外LED 屏，實現(xiàn)大棚環(huán)境信息、氣象信息、通知信息的滾動發(fā)布。無線音頻系統(tǒng)實現(xiàn)大棚內農業(yè)設施的語音控制。

（2）通過云平臺實現(xiàn)外圍設備的智能控制。通過云平臺上實現(xiàn)對灌溉閥門、水肥一體化設備進行智能控制，同時設計開發(fā)手機APP 登錄平臺對現(xiàn)場的信息進行查看或泵閥進行控制。

2 控制系統(tǒng)的軟硬設計

■2.1 溫濕度檢測電路設計

大棚內的溫濕度數(shù)據(jù)是通過DHT11 溫濕度傳感器進行采集的，采集到的數(shù)據(jù)最后通過LCD1602 顯示器進行顯示，本次設計對溫濕度的閾值使用按鍵進行設計，分為4 個按鍵分別為開始、加鍵、減鍵、復位。當按下按鍵的時候，就可以進行溫濕度的最高閾值和最低閾值的設置，加鍵和減鍵可以分別對溫濕度的溫度和濕度進行調整，使溫濕度達到目標設置值，滿足控制系統(tǒng)的需求。

■2.2 土壤濕度檢測電路設計

為了使土壤濕度檢測更加準確，選用的是YL-69 土壤濕度傳感器，該傳感器模塊是四線制，需要的電源為+5V，接口DO 是數(shù)字量輸出接口傳遞出0 和1，AO 接口是能輸出電壓模擬量。將該傳感器與主控電路連接，可以檢測土壤濕度，也設置了4 個按鍵，分別為開始、加鍵、減鍵、復位，通過閾值的設置，在DO 接口的閾值調節(jié)上，當順時針調節(jié)單位器，其控制的濕度限度就會變大，同理逆時針旋轉式，其控制的濕度限度就會變小，更加靈敏。

■2.3 總體硬件電路圖設計

總結硬件電路結構設計如圖2 所示，分別使用了DHT11 溫濕度傳感器，光照傳感器，土壤濕度傳感器模塊的組合來實現(xiàn)對大棚環(huán)境的監(jiān)測。首先使用溫濕度傳感器對大棚內溫度和濕度進行整體監(jiān)測，同時使用光照傳感器監(jiān)測當前大棚內部的整體光照情況是否合格達到標準，使用扎根于土壤中的YL-69 土壤濕度傳感器模塊監(jiān)測土壤中水分含量是否合格達到標準，傳送數(shù)據(jù)至單片機，通過LCD 顯示設備，實時顯示出當前溫度數(shù)值，實時顯示出當前濕度數(shù)值，可以通過相應按鍵調整適合于農作物的適當上下閾值，在單片機內部與預設值進行數(shù)據(jù)比對，倘若發(fā)生數(shù)值超過限定范圍就發(fā)生蜂鳴器報警以及LED 燈報警。

圖2 總體硬件電路圖設計

■2.4 控制系統(tǒng)軟件設計

本項目在Keil μVision4 C51 軟件中編程實現(xiàn)的，系統(tǒng)的整體設計流程圖如圖3 所示，溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計部分是主要由單片機發(fā)出指令對溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器模塊進行操作命令，使其正常運行，同時溫濕度傳感器模塊對溫室大棚內的溫度和濕度進行監(jiān)測，將監(jiān)測到的溫度和濕度參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至單片機和預設值進行比對校驗，當監(jiān)測到的數(shù)值不在預設值范圍內時，觸發(fā)蜂鳴器報警方式，并將數(shù)值實時顯示在顯示屏上。

圖3 系統(tǒng)的整體設計流程圖

各個傳感器模塊開始工作的時候，都會與預設值進行對比，要是超出了預設值，蜂鳴器就會報警，主控器會打開外圍設備，針對不同的需求進行動作，若是沒有超出預設值的時候，就會實時的數(shù)據(jù)就會顯示在LCD 顯示屏上，并與網絡平臺進行連接，網絡平臺的數(shù)據(jù)方便被實時地掌握。

3 控制系統(tǒng)主要子模塊調試

■3.1 溫濕度監(jiān)測調試

通過硬件電路設計和軟件程序編寫，完成了溫室大棚的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)。通過實物調試，達到了控制系統(tǒng)的要求。首先，對溫濕度控制系統(tǒng)進行初始化，再通過按鍵對溫濕度進行預設值設置；其次，溫濕度傳感器檢測到溫室大棚的實時溫濕度，并通過將實時的數(shù)據(jù)與預設值進行對比，當溫濕度在預設值范圍內的時候，系統(tǒng)正常工作，溫濕度顯示；當溫濕度檢測不在預設值范圍內的時候，蜂鳴器報警，LED指示燈亮起，溫濕度報警顯示；由于檢測的數(shù)值是實時動態(tài)范圍內的，故當有環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候，控制系統(tǒng)監(jiān)測到數(shù)值發(fā)生了變化，即可觸發(fā)報警和LED 指示燈亮起，以在傳感器周圍增加火源使溫度升高模擬環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化進行溫濕度監(jiān)測，可以在顯示屏上看到溫度上升，濕度下降，環(huán)境因素變化值顯示如圖4 所示。

圖4 溫濕度監(jiān)測調試

■3.2 土壤濕度監(jiān)測調試

通過硬件電路設計和軟件程序編寫，完成了溫室大棚的土壤濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)。通過實物調試，達到了控制系統(tǒng)的要求。具體調試過程：首先，對土壤濕度控制系統(tǒng)進行初始化，再通過按鍵對土壤濕度進行預設值設置；其次，土壤濕度傳感器檢測到溫室大棚的實時土壤濕度值，并通過將實時的數(shù)據(jù)與預設值進行對比，當土壤濕度在預設值范圍內的時候，系統(tǒng)正常工作；當土壤濕度檢測不在預設值范圍內的時候，蜂鳴器報警，LED 燈閃爍，土壤濕度報警顯示；由于檢測的數(shù)值是實時動態(tài)范圍內的，故當有環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候，控制系統(tǒng)監(jiān)測到了數(shù)值進行了變化，即可發(fā)生報警和LED 燈閃爍，以在用水來接觸土壤濕度傳感器模擬環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化進行土壤濕度監(jiān)測，可以在顯示屏上看到土壤濕度上升環(huán)境因素變化值顯示如圖5 所示。

圖5 土壤濕度監(jiān)測調試

■3.3 網絡平臺調試

網絡平臺主要設計實現(xiàn)了兩個平臺，一個是應用手機藍牙與控制系統(tǒng)的藍牙模塊連接，進行網絡平臺調試；另一個是應用微信平臺實現(xiàn)網絡平臺調試，以便于農戶可以不用去溫室大棚查看環(huán)境參數(shù)值，便可以輕松地通過手機查看環(huán)境參數(shù)的變化值，并通過手機進行外圍設備的啟停工作。

調試過程：首先，打開手機APP，連接上ESP8266 模塊或者打開微信公眾號，顯示出當前的實時溫度濕度數(shù)值和繼電器吸合狀態(tài)，手機APP 或微信公眾號顯示實時數(shù)值；其次，當環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候，網絡平臺可以進行報警，報警界面；最后，可以應用網絡平臺進行外圍設備的啟停控制，已達到溫室大棚需求的環(huán)境參數(shù)值，網絡平臺控制外圍設備啟停。

圖6 網絡平臺顯示實時數(shù)值

4 總結

該控制系統(tǒng)不僅解決了溫室大棚的智能化監(jiān)測的問題，而且實現(xiàn)了農業(yè)生產高度規(guī)模化、集約化，提高了農業(yè)生產對自然環(huán)境風險的應對能力，使弱勢的傳統(tǒng)農業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代產業(yè)。