多信息融合的溫室環境測控系統設計

胡保玲，解思博，周昊強，馬 俊，盧厚義，吳慶洋

（1.巢湖學院 計算機與人工智能學院，安徽 巢湖 238024；2.巢湖學院 電子工程學院，安徽 巢湖 238024；3.巢湖學院 工商管理學院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

為了提升溫室環境的生產效率并確?？茖W管理，自動化設備在調控溫室內部的溫度和濕度方面發揮了重要作用，為農作物創造更好的生長條件，并帶來更高的經濟回報。因此，設計出精準有效的溫室環境測控系統具有重要的意義。國內外學者對其進行了大量的研究，并取得了豐碩的成果。陳子光等[1]設計了一種溫濕度數據的檢測存儲管理系統，通過用工業級無線模塊進行數據傳輸，從而有效地實現了溫度的精確檢測控制。范明民[2]以STM32 芯片為核心處理器，并利用溫濕度傳感器DHT11 來采集環境溫濕度信息，設計了一種溫度與濕度控制系統，實現了對機房溫濕度的檢測與記錄。張儷亭等[3]在分析了溫室大棚控制需求的基礎上，設計了一種基于AT89C52 的溫室大棚溫度濕度自動控制系統，從而實現了溫室內部環境參數的自動調節。張葉茂等[4]設計了一套智能溫室控制系統，有效地實現了溫室大棚環境的參數采集、信號傳輸和智能控制。李旺昆[5]設計了一種基于PLC 控制的農業大棚的溫濕度自動控制系統，確保環境各項參數達到穩定預定值。王賓[6]設計了一種基于單片機和AM2301B 溫濕度傳感器的溫室環境自動控制系統，實現了環境的實際溫、濕度自動調節。張云帆等[7]設計了一種溫濕度智能控制系統，該控制系統能夠實時地監測采集數據，并根據反饋數據實時做出調節措施。要楠等[8]設計了一種以Arduino 為核心的智能溫濕度控制系統，其包含溫濕度傳感器、OLED 顯示器、測量壓強模塊、報警器和火情檢測器，并加入了鍵盤輸入模塊，能夠更好地實現人機聯動。沈華剛等[9]采用AT89C51 單片機作為控制中心，設計了一款溫濕度檢測控制系統，實現了溫室環境信息的自動檢測與報警。

以上文獻中研究人員對溫室環境智能測控系統進行了大量的研究與設計，并取得了一定的研究成果。本文將在上述研究的基礎上，設計一種更加靈敏完善的溫室環境參數智能測控系統，通過采用溫濕度傳感器實時檢測環境變化，并配置了液晶顯示模塊，使其觀察更加準確，從而有效地滿足人們對溫室環境智能檢測與控制的需求。

1 溫室測控系統設計與硬件選型

多信息融合的溫室環境測控系統主要具備溫度數值與濕度數值的檢測功能，將檢測結果通過單片機處理，并利用溫度控制、濕度控制模塊來調節環境參數。基于對溫室環境的功能需求分析，本次設計擬采用AT89C52 單片機為處理器，通過DHT11 型溫濕度傳感器來實時測量溫室內部溫濕度數值，然后通過顯示模塊來實時顯示檢測的溫濕度數值是否超過警報閾值，并利用溫度控制、濕度控制模塊來實時調節溫濕度信息。因此該系統主要包含7 個模塊，即主控電路與顯示模塊、溫濕度傳感器模塊、電源模塊、按鍵模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊、報警模塊，其核心系統組成框架如圖1所示。

圖1 系統總體成框圖

1.1 主控電路與顯示模塊設計

單片機又稱單片微控制器，即一塊芯片為一臺小型計算機。它具有體積極小、攜帶方便、價格低廉等特性，使它在工業控制領域及生活中都有著極為廣泛的應用。本設計擬采用運用最為廣泛的AT89C52 單片機為主控電路的核心處理器，它是一種低功耗卻有著極高性能的8位微處理器，有40 個引腳和3 種封裝方式。其中40 個引腳大致可分為4 類：時鐘、電源、控制和4 組I/O 引腳。主控電路包括單片機核心處理器本身、復位電路以及時鐘電路。此外，本設計的顯示模塊選用LCD1602 液晶顯示模塊，它是一種工業字符型液晶，能夠同時顯示16 列2 行，即32 個字符。主控電路與顯示模塊如圖2 所示。

圖2 主控電路與顯示模塊

1.2 溫濕度傳感器模塊設計

本設計采用傳感器DHT11 來進行溫濕度信息的采集。該傳感器將數據輸入/輸出的管腳與I/O 口進行直接連接，再通過微處理器對傳感器進行測控，以將所采集的溫室環境的溫濕度信息傳輸到處理器運算中。溫濕度傳感器模塊如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器模塊

1.3 電源模塊設計

本次設計所采用的電源結構原理如圖4 所示，其作用為該系統的各個模塊提供充足穩定的能量，以保障系統各模塊順利運作。這種穩定且連續的電源供應，對于維持系統的正常運作，尤其是在實時檢測和控制溫室環境的過程中，具有極其重要的作用。

圖4 電源模塊

1.4 按鍵模塊設計

本設計選用獨立式鍵盤，它的優點是電路不復雜。利用P 2.1-P 2.3 口進行實現，所有開關打開時，則都為高電平，而在經過與門時也不會變化，故不會中斷。當其中某一鍵按下時，則為低電平，并向中央處理器發起中斷申請，在處理器響應后，按指令以行使相應職責。按鍵模塊如圖5所示，其中S 1 起到控制需調整對象的功能，S 3 與S 4 分別起增加數值與減少數值的作用。

圖5 按鍵模塊

1.5 溫度控制模塊設計

本設計中的溫度控制模塊通過三極管驅動，當測量出的溫度數值不在設定范圍內時，信號由高電平轉變成低電平，三極管導通，繼電器吸合，繼電器相當于起開關的作用，能夠驅動負載。當溫度高于預設上限時，Q 3 導通、D 2 發亮、蜂鳴器發聲，同時風扇轉動進行降溫；當溫度低于預設下限時，Q 4 導通、D 3 發亮、蜂鳴器發聲，加熱棒開始工作進行升溫。溫度控制模塊如圖6 所示。

圖6 溫度控制模塊

1.6 濕度控制模塊設計

濕度控制模塊也是通過三極管來驅動的，當測量出的濕度數值不在設定范圍內時，信號由高電平轉變成低電平，三極管導通，繼電器吸合以驅動負載。當濕度高于預設上限時，Q2 導通、發光二極管D1 發亮、蜂鳴器發聲，同時風扇轉動進行烘干；當濕度低于預設下限時，Q5 導通、D4 發亮、蜂鳴器發聲，微型水泵工作進行加濕。濕度控制模塊如圖7 所示。

圖7 濕度控制模塊

1.7 報警模塊設計

蜂鳴報警器是適用性極廣的裝置，本設計所用蜂鳴器只需約10 mA 的電流便足以運作，三極管也能夠對它進行驅動。輸出高電平時，晶體管會處于導通的狀態，此時蜂鳴器的兩端會獲得約5 V 的電壓而發聲；輸出低電平時，三極管則會處于截止狀態，蜂鳴器不發聲報警模塊原理如圖8 所示。

圖8 報警模塊

2 系統測試與實驗驗證

在設計好系統后，需對系統進行調試以排除系統可能存在的故障，并不斷完善系統的各個硬件及軟件結構，從而保障系統能夠準確無誤地達到所預期的功能。本設計的調試方法包含：系統性能測試、溫濕度測控模擬實驗。

2.1 系統性能測試

本設計主要進行溫濕度上下限4 種狀態下的模擬測試，運行狀態如圖9，測試效果如下：

圖9 4 種運行狀態效果圖

狀態一：濕度高于預設上限，第一個紅燈亮起，蜂鳴器發聲，烘干風扇工作以降低濕度，其余控制設備處于靜止狀態，如圖9（a）。

狀態二：濕度低于預設下限，第二個黃燈亮起，蜂鳴器發聲，微型水泵工作進行加濕，以正常工作提高濕度，其余控制設備處于靜止狀態，如圖9（b）。

狀態三：溫度高于預設上限，第三個紅燈亮起，蜂鳴器發聲，降溫風扇工作進行降溫，其余控制設備處于靜止狀態，如圖9（c）。

狀態四：溫度低于預設下限，第四個黃燈亮起，蜂鳴器發聲，加熱棒工作以達到升溫的目的，以正常工作提高溫度，其余控制設備處于靜止狀態，如圖9（d）。

2.2 溫濕度測控模擬實驗

為更加全面地分析本系統的功能，驗證所設計系統的實際運行效果是否達到設計需求，本課題構建了簡易的模擬裝置對系統進行溫濕度檢測模擬實驗，分別針對溫度、濕度進行2類不同實驗，并記錄了相應控制設備的運轉情況。

（1）溫度測控模擬實驗

首先，進行溫度上下限報警的相關實驗，將模擬溫室置于適當環境下，每隔10 min 記錄模擬溫室室內溫度的測量值、報警情況及相應控制設備的運作情況（溫度單位為℃）。不同時刻的具體情況如圖10 所示，并記錄每個時刻所對應的測量數據，實驗記錄如表1。其中，時刻一為溫度低于下限值，加熱棒工作、蜂鳴器報警、LED 常亮；時刻二為溫度在閾值內；時刻三到達溫度逐漸升高至上限值，風扇降溫、蜂鳴器報警、LED 常亮。時刻四與五檢測溫度超過閾值，降溫風扇工作以降低溫度數值。時刻六系統溫度繼續下降，回到預設值范圍內。從圖10 與表1 的結果可知：在進行溫度上下限檢測與控制模擬實驗時，該系統可正常運行，達到實時檢測溫度信息并將其調整正常范圍內的目的。

表1 溫度測控實驗數據記錄表

圖10 （續）

（2）濕度測控模擬實驗

在排除濕度上下限值外其他限值的影響下，進行濕度上下限報警的相關實驗，將系統置于模擬溫室內，每隔10 min 記錄模擬溫室環境下相對濕度的測量值、報警情況及相應控制設備的運作情況（相對濕度單位為%）。不同時刻的具體情況如圖11 所示，實驗數據記錄于表2。

表2 濕度測控實驗數據記錄表

圖11 不同時刻下相對濕度測控效果

在實驗中，記錄每個時刻所對應的測量數據，其中，時刻一為相對濕度下降至超過預設下限值，蜂鳴器報警、水泵工作；時刻二和時刻一狀態一樣，但相對濕度處于上升狀態；時刻三在正常閾值范圍內，所有設備均不工作；當相對濕度上升并超過預設上限值，蜂鳴器發聲報警、LED 常亮，烘干風扇工作進行干燥降濕，時刻四與時刻五為相對濕度上升至超過預設上限值，蜂鳴器發聲報警、LED常亮，烘干風扇工作進行干燥降濕，隨著烘干風扇的工作，相對濕度逐漸回歸正常閾值范圍內。時刻六為相對濕度回歸正常，所有設備均不工作。從圖11 與表2 的結果可知：在進行相對濕度上下限檢測與控制模擬實驗時，該系統均可正常運行。

綜合以上實驗及數據圖表可知：所設計系統能夠達到基本功能需求，有效地實現了“溫度上下限檢測與控制”和“濕度上下限檢測與控制”2 種不同情況的模擬實驗，進一步驗證了所設計的溫室環境測控系統的可行性與有效性。

3 結語

通過對多信息融合的溫室環境測控系統設計的需求分析，本文首先采用AT89C52 單片機為核心的主控電路，并配合顯示模塊、溫濕度傳感器模塊、電源模塊、按鍵模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊、報警模塊等組成。然后，設計了相應的軟件模塊以驅動系統，并對系統進行性能測試證明設計系統可正常工作。最后，制作實物系統分別進行溫度測控與濕度測控2種情況的模擬實驗。實驗結果表明，所設計溫室環境測控系統可以有效地實現對溫度與濕度的檢測，從而達到控制溫室室內環境的恒溫恒濕效果。