大棚溫室環境監控系統的設計

楊利春張文昭汪貽龍曉輝劉敏

( 湖南科技學院 電子工程系, 湖南永州 425100 )

0 引 言

我國人多地少，人均占有耕地面積不及世界平均水平的三分之一，在21世紀未來一段時間內，中國的人口將持續增長，而耕地面積卻在逐年減少，如何用較少的土地去養活更多的人口，解決這一尖銳矛盾具有戰略意義。作物受地域適應性、季節性及自然災害的影響比較大，在純自然的條件下，大部分時間不能進行正常農業生產，造成人力、物力的大量浪費，進行溫室栽培后就可以極大的減弱對作物生長不利的環境因素來促進作物生長，有利于緩解季節矛盾，提高作物產量。基于此，本設計將計算機技術、傳感器技術、控制技術、通訊技術、生物技術以及環境科學等多種技術和學科融為一體，開發出功能齊全的完全智能化的溫室環境監控系統，對于促進農業增產、增收，推進我國農業智能化進程具有極為重要的意義，同時也具有很大的市場商機。

1.統設計方案

1.1.統設計思路

本系統采用STC12C5410AD單片機為主控芯片，該單片機是一種單時鐘周期（機器周期為1T）、高速、低功耗、超強干擾的新一代8051單片機，內部集成MAX810專用復位電路，4路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。分別采用相應傳感器對溫度、濕度、光照和CO2濃度進行檢測，其方框圖如圖1所示。

1.2.統主要硬件設計與實現

1.2.1.度檢測與控制模塊

溫度是影響作物生長發育最重要的環境因子之一，它影響作物體內的一切生理變化。本系統根據作物生長溫度條件，選用了美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源AD590作溫度傳感器，其測量精度為0.3℃，測量范圍為-40℃到+50℃，具有線性好、精度適中、靈敏度高等優點。通過信號調理電路，將電壓信號經A/D變換后傳送給微處理器進行數據處理，發出輸出控制信號對相應的溫度調節器進行相應的調節，控制裝置進行升溫或者降溫。本系統在升溫上采用熱風采暖的方式，該方式設備簡單、成本低、預熱時間短，可通過管道均勻分配到溫室各個部位，溫室受熱均勻；在降溫上采用蒸發降溫裝置，根據溫差大小啟動不同的降溫設備，降溫效果好。

在設計測溫電路時，首先應將電流轉換成電壓，由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1K，電流就增加1uA，當AD590 的電流通過一個10K的電阻時，這個電阻上的壓降為10mV，即轉換為了10mV/K，為了使此電阻精確，可用一個9.6K的電阻與一個1K電位器串聯，然后通過調節電位器來獲得精確的10K,具體電路如圖2所示：

圖2.流/電壓及絕對/攝氏溫標轉換電路

1.2.2.度檢測與控制模塊

濕度是指溫室內空氣的相對濕度，它是表示空氣潮濕程度的物理量，用%RH表示。針對溫室具體環境，本系統采用的是HUMIREL公司的高分子電容式傳感器HS1101，它具有不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩定性，快速響應等特點。HS1100濕度傳感器是一種基于電容原理的濕度傳感器，相對濕度的變化和電容值呈線性規律。在自動測試系統中，電容值隨著空氣濕度的變化而變化，因此將電容值的變化轉換成電壓或頻率的變化，才能進行有效地數據采集。本系統采用了由555集成電路組成振蕩電路, HS1100濕度傳感器充當振蕩電容的測量電路，從而完成濕度到頻率的轉換，電路圖如圖3所示：

常用的濕度調節方式是加濕和去濕。微處理器完成對濕度的測量并進行相應的處理后，發出輸出控制信號對相應的濕度調節器進行相應的調節。本系統采用水噴霧法的方法，按照作物需水要求，通過控制管道與安裝在末級管道上特制的噴頭，從而控制水和作物生長所需要的養分成一定比例的混合物，使其均勻、準確的輸送到根部和葉片，實現局部變量灌溉。但大棚內部的濕度大于作物生長的生理要求時，根據具體變化值的差異，通過控制鼓風機的吹風力度和開啟時間達到快速調節。

圖3.度測量電路圖

1.2.3.照檢測與控制模塊

光照是作物生長發育的能量源泉，又是某些作物完成生活周期的重要信息。根據溫室內作物對光照強度的要求，本設計采用了利用光電子產生的電流來測量光照強度的光照傳感器-光敏三極管3DU33作為感光元件。通過光敏三極管產生的電流信號，經過信號處理電路將電流信號變為電壓信號，經A/D變換后送給微處理器進行數據處理，經微處理器輸出控制信號對相應的光照強度調節器進行相應的措施，改善光照環境。

本系統采用微處理器對光照傳感器所采集的參數進行分析，若光線強度小于根據實驗測定的作物需要光強，則點亮鍺燈來補充光強；若光線強度大于根據實驗測定的作物需要的光強，則微處理器發出信號，控制大棚的遮陽網的面向太陽的傾斜程度，從而降低大棚內部的光強。

1.2.4.O2濃度檢測與控制模塊

CO2是植物光合作用的主要原料，直接影響著植物的生長發育。本系統選用美國FIGARO公司生產的TGS4160對CO2濃度進行測量，TGS4160 二氧化碳傳感器是一種內含熱敏電阻的混合式CO2 敏感元件。傳感器的6個引腳通過0. 1mm的箔導線與內部相連。其等效的內部結構見圖4 所示，圖中陽極與傳感器的第3 腳S( + ) 相連, 陰極與傳感器的第4 腳S( - ) 相連，Pt 加熱器與傳感器的第1、6腳相連，內部熱敏電阻與傳感器的第2 、5腳相連。內部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測環境溫度，以便對該傳感器進行溫度補償，從而使校正后的測量值更加準確。采集到的信號通過高輸入阻抗、低偏置電流的運放進行放大，再一些簡單的運算處理，就可以在CO2 濃度為300～5000ppm的范圍內測得信號, 該信號為零至幾百毫伏的電壓信號，可以供高精度A/ D 采樣使用，微處理器接收后輸出控制信號對溫室內的CO2濃度進行調節。

本系統采用的是控制鋼瓶裝的液態CO2氣源，用繼電器的啟閉和控制開啟時間來實現CO2的釋放量。

圖4.GS4160 等效內部結構

1.2.5.行顯示電路單元

采用LCD液晶屏顯示,利用74LS161移位寄存器功能(分頻)，對單片機輸出的串行數據逐級分頻，從第一級到最后一級共分頻8次，這樣就把單片機輸出的串行數據轉換成并行數據, 送給液晶屏進行顯示。

1.3.統軟件設計

本系統選用的是STC12C5410AD單片機為微處理器，內含8路高速10位A/D，可以直接編程實現A/D轉換。程序設計的好壞影響著本系統對各項參數檢測和控制的精度和準確度，主要實現對溫室環境的溫度、濕度、光照、CO2濃度進行循環檢測和根據設定的上下限值對這些參量的調節器調節控制，各項參數的上下限值可在應用中根據際情況實時修改。主要含A/D轉換程序、針對HS1101的頻率測量程序、數據處理程序、鍵盤和顯示程序。具體程序流程圖如圖5所示。

2. 論

本裝置已在永州苗圃農場對4號溫室的溫度、濕度、光照和CO2濃度進行實地檢測（ 此溫室種植黃瓜）。按農業作物生長規律的要求每隔1h 測量1 次數據，并每15 天從溫室取回數據進行分析。實際運行表明，該裝置能夠在溫室高溫、高濕的條件下良好地運行，傳感器精度基本達到了預期目標，可以實現對溫室環境中的各項參數數據進行實時、精確的檢測、采集及控制，達到設計要求。

圖5.要程序流程圖

[1]周炯亮,屈芳升.智能溫度與濕度單片機測控系統[J].安徽電子信息職業技術學院學報,2005,4(5):88-89.

[2]王多輝,毛罕平,謝明崗.植物工廠自動控制系統軟件設計[J].江蘇理工大學學報,1997,18(4):7-11.

[3]張建鋒,何東健,韓敏,等. 溫室監控系統的設計與實現[J].西北農林科技大學學報,2005,33(10):105-108.

[4]黃迎輝.溫室環境自動控制系統設計[J].電子質量,2007,(2):36-38.

[5]李萍萍,毛罕平,王多輝,等.智能溫室綜合環境因子控制的技術效果及合理環境參數研究[J].農業工程學報,1998,14（3）：197-201.