溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院電子工程系，遼寧 鐵嶺 112000）

溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

高 靜

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院電子工程系，遼寧 鐵嶺 112000）

本文以STC89C52單片機(jī)為核心，采用多種傳感器設(shè)計(jì)一種溫室大棚種植參數(shù)采集控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫室大棚光照度、溫度、濕度和CO2濃度等環(huán)境因子自動(dòng)監(jiān)控，給出系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖和詳細(xì)工作原理。

SHT11；C20；TSL230B；SEN0114

一、概述

溫室大棚種植為人們生活水平提高帶來(lái)了極大的便利。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)技術(shù)智能化發(fā)展是必然趨勢(shì)。用現(xiàn)代技術(shù)來(lái)改變溫濕大棚中農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，縮短其生長(zhǎng)周期，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，幵發(fā)和研制溫室環(huán)境自動(dòng)化控制系統(tǒng)是有必要的。農(nóng)作物單位面積的出產(chǎn)量角度出發(fā)，溫室種植與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，具有很高的單位面積出產(chǎn)值;從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，溫室種植不僅可以產(chǎn)出綠色的農(nóng)作物，而且可以做到精確地控制化肥使用量以及其它添加劑的施加量，減少了對(duì)土壤和地下水的污染。

二、硬件設(shè)計(jì)框圖

溫室指通過人工干預(yù)對(duì)指定區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤水分、CO2濃度等諸多環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控，使之適合所培育農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求。本文主要應(yīng)用單片機(jī)和相應(yīng)的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚環(huán)境控制。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由電源、傳感器、按鍵輸入部分、顯示報(bào)警、控制輸出、總線模塊組成。電源模塊用于將交流電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需穩(wěn)定的各等級(jí)直流電源;傳感器模塊用于測(cè)量大棚環(huán)境溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、土壤水分等，傳感器選用的都是數(shù)字型的?？刂颇K用于讀取傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)，處理后輸出到顯示模塊顯示各數(shù)值值，并與各數(shù)值上下限比較，超限時(shí)報(bào)警，并驅(qū)動(dòng)智能輸出模塊動(dòng)作。智能型溫室大棚控制原理系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1

本文單片機(jī)選用STC89C52，它是種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器，低電壓，高性能COMOS8的微處理器。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。

三 、傳感器的選擇

1 溫度調(diào)節(jié)。在最高溫度和最低溫度時(shí)，農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育停止，在最適溫度時(shí)，農(nóng)作物生長(zhǎng)速度最快。在最高溫度和最低溫度時(shí)再升高或降低，農(nóng)作物開始出現(xiàn)傷害甚至致死，適宜的溫度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有著十分重要的影響。溫度調(diào)節(jié)，在設(shè)定的上下限進(jìn)行自動(dòng)加溫降溫。本文降溫設(shè)備采用窗簾風(fēng)機(jī)設(shè)備，升溫設(shè)備采用加熱器。

本文選用了SHT11傳感器。SHT11的四個(gè)引腳，DATA引腳接單片機(jī)的P1.1，在與單片機(jī)連接之間接個(gè)4.7KΩ的上拉電阻；STK引腳接單片機(jī)的P1.2，VCC與GND分別接單片機(jī)的GND和5V電源了。LCD顯示器顯示出當(dāng)前的相對(duì)溫度，高于設(shè)定值啟動(dòng)降溫設(shè)備，溫度低于設(shè)定值時(shí)啟用升溫設(shè)備；能設(shè)定24小時(shí)內(nèi)3-4組不同的設(shè)定值在不同時(shí)間控制，并保持每天重復(fù)直至更改參數(shù)。

2 CO2的調(diào)節(jié)。CO2是植物進(jìn)行光合作用的重要原料之一，在作物的整個(gè)生長(zhǎng)期，都需要提供不同濃度的CO2。適宜的CO2濃度可以促使幼苗根系發(fā)達(dá)、活力增強(qiáng)、產(chǎn)量增加。二氧化碳濃度的變化將對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響，通常農(nóng)作物的產(chǎn)量會(huì)增加，但質(zhì)量會(huì)下降。所有監(jiān)控CO2的濃度變化是有一定意義的。

本文選用的二氧化碳濃度傳感器是英國(guó)GSS的C20，該傳感器具有響應(yīng)速度快，低功耗，防水抗震動(dòng)和精度高等特點(diǎn)。C20數(shù)字傳感器四線連接就可以工作，其中從左至右分別為:接地、串行輸入、串行輸出、+5V電壓。其中1引腳和4引腳分別接電源和地，2引腳和3引腳分別接單片機(jī)的P1.3引腳和P1.4引腳。

3 光照調(diào)節(jié)。光合作用條件是光，延長(zhǎng)光照時(shí)間可以增加光合作用進(jìn)行的時(shí)間，有利于農(nóng)作物產(chǎn)量的提高；光合速率隨著光照強(qiáng)度的增加而加快.但超過一定范圍之后，光合速率的增加變慢，所以光照對(duì)作物的生長(zhǎng)也起著十分重要的作用。

本文采用了TSL230B光照傳感器來(lái)采集光照度。TSL230B有8個(gè)引腳，1、2引腳為靈敏度選擇輸入端；3引腳為輸出頻率使能端，低電平有效；4引腳接地；5引腳接電源；6引腳為輸出頻率；7、8引腳為輸出頻率分頻系數(shù)選擇輸入端。

作物吸收的光能主要分布在紅光以及藍(lán)光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，因此釆用低功耗高亮度的紅藍(lán)光源LED設(shè)計(jì)補(bǔ)光燈系統(tǒng)作為補(bǔ)光設(shè)備。農(nóng)作物的生長(zhǎng)離不開陽(yáng)光的光合作用，系統(tǒng)根據(jù)采集到的光照度，控制開啟LED設(shè)計(jì)補(bǔ)光燈系統(tǒng)以滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)的光照需求。

4 土壤濕度的調(diào)節(jié)。土壤濕度是影響作物生長(zhǎng)的重要因素，掌握土壤濕度對(duì)作物生長(zhǎng)有著重要的意義。在相對(duì)濕度較小時(shí)，如土壤水分充足，則作物蒸騰較旺盛，作物生長(zhǎng)較好。若較長(zhǎng)時(shí)間空氣濕度處于飽和條件下，作物生長(zhǎng)將受抑制，導(dǎo)致質(zhì)量下降等。相對(duì)濕度太小，會(huì)加重土壤干旱或引起大氣干旱，特別在氣溫高而土壤水分缺乏的條件下，作物的水分平衡被破壞，水分入不敷出，會(huì)阻礙生長(zhǎng)而造成減產(chǎn)。

本文采用的土壤濕度傳感器是SEN0114。SEN0114有3個(gè)引腳，其中GND接地，VCC接電源，DATA接單片機(jī)P1.5. 這是一個(gè)簡(jiǎn)易的水分傳感器可用于檢測(cè)土壤的水分，當(dāng)土壤缺水時(shí)，傳感器輸出值將減小，反之將增大。土壤缺少就啟動(dòng)灌溉設(shè)備。

結(jié)語(yǔ)

溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的環(huán)境的有效控制，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到溫度、濕度、CO2的濃度計(jì)光照，可以較好地智能控制作物各生長(zhǎng)因子，使得作物生長(zhǎng)在最為合適的環(huán)境中，可以大大提高了作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。

[1]黃慶彩，程勇.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2013.

TP273 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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