全智能大棚監控系統的設計

殷 剛，趙 琳

（西南交通大學峨眉校區 電氣工程系，四川 峨眉 614202）

傳統的溫濕度控制是在溫室大棚內部懸掛溫度計和濕度計，通過讀取溫度值和濕度值了解實際溫濕度，然后根據現有溫濕度與額定溫濕度進行比較，看溫濕度是否過高或過低，然后進行相應的通風或者灑水[1]。這些操作都是在人工情況下進行的，耗費了大量的人力物力。現在，隨著國家經濟的快速發展，農業產業規模的不斷提高，農產品在大棚中培育的品種越來越多，對于數量較多的大棚，傳統的溫濕度控制措施就顯現出很大的局限性。溫室大棚的建設對溫濕度檢測與控制技術也提出了越來越高的要求。

為了解決上述難題，本系統以單片機為核心，利用無線通信，具有數據的采集、處理、實時顯示、環境的調節等功能，實現對大棚內的溫濕度和光照的調節，達到作物生長的最佳條件。不僅具有控制方便、靈活性大等優點，還能夠大大提高縮短農作物的成熟期，提高效率，節約成本。

1 系統的硬件設計

本監控系統由3部分組成：采集小車、控制端及監控端。采集小車以循跡小車為平臺，搭載溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器（用于循跡）、無線模塊，在跑道上沿著黑線運行，采集預設點位置的溫度、濕度和光照值并通過無線模塊發送給控制端和監測端。大棚內的控制端以AT89C52為核心，通過無線模塊接收數據，對數據處理后通過液晶顯示數據，并通過繼電器來控制外圍的環境調節裝置。監控端是由無線模塊將數據傳給上位機，在對數據進行處理后，將數據以圖形的方式顯示在電腦屏幕上，用于觀測大棚內的情況。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig. 1 System architecture figure

1.1 采集小車的設計

采集小車是以AT89C52為核心，用紅外傳感器來檢測道路的信息，判斷小車當前所在的位置，通過控制電機使小車沿著跑道上的黑線行走。當小車到達設定的采集點時，就使溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器工作，將采集到的數據再通過無線模塊發送給控制端和監控端。

1）電機驅動模塊

以L298N驅動芯片為核心，搭建外圍電路來驅動小車。L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片[2]。該芯片可以驅動一臺兩相電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。驅動模塊電路如圖2所示。

2）循跡模塊

循跡模塊使用紅外發射和接收管等分立元件組成探頭，并使用LM339電壓比較器（加入遲滯電路），防止臨界輸出抖動作為核心器件構成中控電路。紅外線照到白線上時會反射大部分光，接收管能夠收到紅外光，而在黑線上時則全部被吸收，接收管則收不到。利用這個原理，小車就能沿著白色背景中間是黑線的道路上行走，實現了自動行走。紅外對管的電路圖如圖3所示。小車的底盤上裝有四個TCRT5000紅外模塊，這樣小車就能夠通過識別哪些紅外接收管在黑線上，來判斷自己在道路上的位置，進而對小車的行走方向進行控制，如左轉、右轉、停止等，防止小車跑出道路。

圖2 驅動電路Fig. 2 Driver module circuit

圖3 紅外對管電路Fig. 3 Infrared tube circuit

3）溫度采集模塊

溫度采集模塊使用DS18B20數字式溫度傳感器[3]，與傳統的熱敏電阻不同的是，使用集成芯片，采用單總線技術，其能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度。同時，它可以直接將被測溫度轉化成串行數字信號供微機處理，接口簡單，使數據傳輸和處理簡單化。部分功能電路的集成，使總體硬件設計更簡潔，能有效地降低成本，搭建電路和焊接電路時更快，調試也更方便簡單化，這也就縮短了開發的周期[4]。

4）濕度采集模塊

濕度采集模塊采用DHT11數字濕度傳感器，DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為給類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇[5]。

5）光照采集模塊

光照采集模塊采用GY-30數字式光照強度檢測模塊，該模塊采用ROHM原裝BH1750FVI芯片。其特點有：①IIC總線接口（f/s模式支持）；②光譜的范圍跟人眼相近；③照度數字傳感器；④50 Hz/60 Hz光噪聲抑制功能；⑤光源的依賴性不大；⑥無需任何外部元件；

6）無線模塊

無線模塊采用以NRF24L01芯片為核心。NRL24L01是NORDIC公司生產的工作在2.4 ～ 2.5G Hz的ISM 頻段的單片無線收發器芯片。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。采用FSK調制，內部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協議。可以實現點對點或是一對六的無線通信，無線通信速度可以達到2M（bps）[6]。

NRF24L01的功能框圖如圖4所示。從單片機控制的角度來看，我們只需要關注圖右邊的6個控制和數據信號，分別為CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。

1.2 控制端的設計

圖4 NRF24L01功能框圖Fig. 4 NRF24L01 functional block diagram

圖6 繼電器模塊電路Fig. 6 Relay module circuit

控制端由AT89C52單片機、繼電器、液晶顯示、按鍵、無線模塊等組成。單片機通過無線模塊將接收到的數據進行處理，與用戶設置的光照、溫濕度值的范圍進行比較，判斷大棚內的環境是否滿足植物生長的需求，從而通過繼電器來控制燈、風扇、水泵等設備來調節環境。液晶顯示模塊和按鍵可以很方便的設置光照、溫濕度值的范圍。控制端還有具有控制小車采集周期的功能，當設定的時間到了時，就給采集小車發送一個啟動命令，使小車開始新一輪的數據采集。

1）液晶模塊

液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規模集成電路直接驅動、易于實現全彩色顯示的特點，目前已經被廣泛應用在便攜式電腦、數字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。本系統采用LCD1602，只能顯示字符和數字，不能顯示漢字，能顯示兩行，每行16個字符。圖5是LCD1602的引腳圖。

2）繼電器模塊

因為單片機不能直接去驅動燈，風扇、水泵等負載，所以只有通過繼電器來間接的控制這些設備。圖6是繼電器模塊的電路圖。

圖5 LCD1602引腳圖Fig. 5 LCD1602 pin figure

1.3 監控端的設計

監控端由PC機、USB無線串口模塊、上位機3部分組成。無線模塊接收到數據后通過單片機的串口將數據發送到上位機，上位機再對數據進行處理，然后在電腦上顯示出圖形。

1）USB無線串口模塊

圖7 STC11F02E引腳圖Fig. 7 STC11F02E pin diagram

圖8 上位機界面Fig. 8 Host computer interface

USB無線串口模塊由NRF24L01芯片、STC11F02E單片機、CH340 USB轉串口芯片構成。STC11F02E是STC生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成復位電路，針對高速通信，智能控制，強干擾的場合。圖7是STC11F02E的引腳圖。

2）上位機

上位機使用Labview來制作，可以很方便的直接使用軟件提供的串口通信模塊，以及圖形顯示模塊，容易制作，開發周期短。設計的上位機界面如圖8所示。圖中可以分別顯示光照、濕度、溫度3條曲線，而且還可以選擇端口，以及對波特率、數據比特、奇偶校驗、停止位的設置，適用范圍廣、方便靈活。

2 系統軟件設計

系統采用層次化、模塊化結構設計，系統的軟件設計主要由兩部分組成：采集小車的軟件設計、控制端的軟件設計。

2.1 采集小車的軟件設計

程序流程圖如圖9所示，系統開始后，采集小車收到大棚控制端發出的開始指令后，開始行走，當遇到采集點處的黑線時就停下來，溫濕度、光照傳感器開始采集數據，并由無線模塊將數據發送給控制端和監控端，同時定時器1來控制在每個采集點停留的時間，當時間到了時，小車就繼續前進，并停止發送數據。如果第7次檢測到黑線時（假設包括起始點在內的黑線有7條），就停止運行，一次采集完成，需等待控制端發送起始信號才再次開始工作。

圖9 采集小車流程圖Fig. 9 Car collection flowchart

2.2 控制端的軟件設計

控制端對收到的數據進行處理，得到光照值、溫度值、濕度值以及位置信息，然后在根據用戶設定的適合作物生長的光照、溫度、濕度值進行比較。如果光照值不夠，就開啟燈，來補償光照；如果夠了的話，就關閉燈。如果濕度值大于設定值，就開啟風扇，將濕氣吹出大棚；如果低于設定值，就開啟水泵給植物噴水，并由相應的算法來確定吹風和噴水的時間。控制端還要給小車發送起始信號，以及控制采集的周期，程序流程圖如圖10所示。

3 系統運行結果

圖10 控制端程序流程圖Fig. 10 Control terminal program flow chart

將小車放在跑道的起始線處，然后在控制端設置好溫度值、濕度值、光照值和采集周期，隨后控制端與小車通過無線模塊建立通信，給小車發送一個啟動命令，小車收到后就開始行走，當到達采集點時就停止前進，開始采集數據，并將采集到的數據發送給控制端和監控端，控制端對數據處理后對燈進行控制，同時監控端繪制3條曲線來分別顯示光照、溫度、濕度值。定時時間到后，小車繼續行走直到下一個點。當小車走完一圈回到起始線處時，對測得的幾個采集的濕度值求平均值，如果濕度值高于設定值就啟動風扇，如果小于設定值就啟動水泵。當系統運行時，在電腦上看到的上位機界面如圖11所示，可以看到3條曲線，從上到下依次是光照、濕度和溫度。

圖11 上位機實際運行圖Fig. 11 Figure of the actual operation of the host computer

4 結束語

該監控系統具有測量精度高、使用簡單、采集范圍廣、成本低、擴展性好等優點，能夠實現大棚控制的全自動化。

[1]余朝剛.溫室氣候環境微機測控系統與控制方法的研究[D].杭州：浙江大學，2005.

[2]靳桅，潘育山，鄔芝權.單片機原理及C51開發技術[M].成都:西南交通大學出版社, 2009.

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[4]薛燕紅.基于89C51+DS18B20的智能溫控器的研制[J].微計算機信息，2007，23(7)：198-199.

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[5]王寶芹，范長勝，郭艷玲.基于單片機的溫濕度控制系統設計[J].林業機械與土木設備,2008，36(3):39-40.

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