設施農業大棚多點溫度采集報警裝置

張 宇,楊宏業,王 銳,蔡秋林

（內蒙古工業大學 內蒙古 呼和浩特 010051）

大棚的環境為農作物的良好生長和提高產量提供了必要的保證[1]。但是，大棚對農作物影響的環境因素很多，也很復雜，比如說溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照等。目前農業大棚的測溫普遍都使用單個DS18B20溫度傳感器來檢測大棚溫度。盡管相對于傳統的溫度檢測有了很大程度的提升，但仍然存在著很多的不足。首先，大棚的空間很大（通常有一畝地左右），棚內溫度分布不均勻，單點測溫不能夠準確地反映大棚內的實際環境溫度。比如說陰面和陽面的溫度，大棚入口和室內的溫度，都相差很大。再者，單點測溫僅僅使用一個溫度傳感器，一旦損壞的話，系統就不能正常的工作。單點測溫的測量距離也有限，而農業大棚的長度一般都有一百米左右，遠距離測量，信號會產生嚴重衰減。這些問題都會導致對大棚環境溫度的誤判，輕者會影響農作物的產量、品質，重者會造成農作物的死亡。

因此，針對于單點測溫系統的瓶頸問題，本文提出農業大棚多點溫度采集設計方案。本設計利用5個DS18B20溫度傳感器來對大棚進行溫度檢測，分別布設在大棚的4個角落和中間，并將采集到的各點溫度求和取平均值作為大棚的溫度，這樣可以有效地解決了大棚室溫不均衡的問題。另外，在多點測溫的情況下，如果其中的某個傳感器損壞了，也不會影響到測溫的正常進行。由于市場上沒有標準的DS18B20溫度傳感器總線，此設計采用以太網雙絞線通過RJ45接口和三通連接件將5個DS18B20溫度傳感器連接起來。而且，這樣連接為日后的檢修更換維護帶來了方便。除此之外，采用以太網雙絞線作為傳輸總線，測溫距離會大大提高，可靠性更高，完全能夠滿足大棚內多點測量溫度的需求。

1 硬件設計

系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

1.1 微控制器

51系列的單片機價格低廉，運行可靠，應用簡單，而且能夠實現本課題的既定功能，我們選用的型號是AT89C51[2]。

管腳使用說明：P1.0接報警電路，INT0和INT1接鍵盤3和 4，P0 腳和 P2.0、P2.1、P2.2 和 LCD1602 相連，P2.5 接 RJ45的 2腳（DS18B20數據線），P2.3接 LED2（報警指示燈）。

1.2 報警電路

本設計的報警系統結構簡單，P1.0引腳經過NPN9013三極管驅動一個無源蜂鳴器，構成一個簡單的報警電路。

1.3 顯示電路

系統采用LCD1602顯示。1602能夠同時顯示32個字符（16列2行），可顯示字母、數字以及一些專用符號等的點陣型液晶模塊。考慮到實際環境條件，溫度值取兩位整數一位小數。

1.4 按鍵電路

本系統配有4個按鍵，第一個和第二個按鍵是用來復位和控制電源的，其他兩個按鍵（與外部中斷0、1相連）用來設置溫度的上下限報警值[3]。所選鍵盤為四腳鍵盤，這樣的鍵盤穩定不易損壞。

1.5 多點溫度檢測電路

DS18B20使用單一線總線（DQ）雙向傳輸數字信息，單一總線的結構可以有效地提高數字信號傳輸過程中的抗干擾能力，提高可靠性，更易于適應各種不利條件下的現場測溫工作[4]。

DS18B20可以設置成2種供電方式，即總線供電方式和外部供電方式，采取數據總線供電方式可以節省一根導線，但完成測量溫度的時間較長，本設計采取外部供電方式，雖然多用一根導線但測量速度較快。DS18B20溫度傳感器輸出的測溫信號是用攝氏溫度（℃）標定的，測溫范圍為-55～+125℃。在-10～+85℃范圍內，測溫精度為±0.5℃[5]。

每一片DS18B20在其ROM中都有唯一的序列號，單總線最多可級聯8個傳感器。

由于設計此課題的目的是盡可能應用于農業大棚現場，數據的傳輸距離非常重要，DS18B20在普通線纜上傳輸距離只有50 m,但在屏蔽雙絞線上傳輸可達500 m,我們選擇屏蔽雙絞線傳輸數據，接口確定為使用最廣泛的RJ45接口，DS18B20有3個引腳，我們選用網線中的第1、2、3根線分別與 DS18B20的 GND、I/O，VDD3個 引 腳 相 連 ， 將 多 個DS18B20通過RJ45三通插座級聯進行多點溫度測量。RJ45的I/O端口處接有阻值為4.7 kΩ的上拉電阻，因為DS18B20是單總線溫度傳感器，數據線是漏極開路，接電源后，上拉電阻可使系統穩定的工作。同時若溫度傳感器開路或沒接時，能起到上拉作用，使之為高電平，使后續電路得到保護。

局部電路圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖Fig.2 Circuit picture

PCB板圖如圖3所示。

圖3 PCB板圖Fig.3 PCB board picture

實物圖如圖4所示。

圖4 實物圖Fig.4 Physical picture

2 軟件設計

2.1 主程序

軟件部分主要由溫度采集、溫度處理、溫度顯示等幾個部分組成。主程序框圖如圖5所示。本系統軟件程序采用C語言編寫，所用軟件為Keil。

圖5 主程序框圖Fig.5 The main program block diagram

2.2 中斷子程序

中斷子程序框圖如圖6所示[6]。根據實際情況，系統設定上限值范圍在25～35℃，設定下限值范圍在10～20℃。

3 系統在Proteus下的仿真調試

通過多次的調試，仿真結果符合預期效果，驗證了此系統在實際應用中的可行性。仿真結果如圖7所示。

圖6 中斷子程序Fig.6 Interrupt subroutine

圖7 仿真圖Fig.7 Simulation figure

4 結束語

系統基于51單片機實現了對大棚多點溫度的采集、監控和報警。該系統還可以方便接入其他模擬量傳感器，對大棚內其他的環境因子進行監測，功能擴展性好。該系統抗干擾能力強，測量精度高，安裝方便簡單，易于維護。可應用于溫室大棚，實現溫度的實時控制，是一種相對比較智能而且經濟的方案，適合推廣，以便帶來更好的經濟效益和社會效益。

[1]李金瑩,楊宏業,呂文艷.物聯網技術與我國設施農業發展[J].安徽農業科學,2013,41（19）：8344-8346.LI Jin-ying,YANG Hong-ye,LV Wen-yan.Internet of things technology and facilities for agricultural development in china[J].Journal of Anhui Agri.Sci,2013,41(19):8344-8346.

[2]劉建清，尋立波，陳培軍.從零開始學單片機C語言[M].北京：國防工業出版社.2008.

[3]嚴天峰.單片機應用系統設計與仿真調試[M].北京：北京航空航天出版社，2005.

[4]蘇震.現代傳感技術—原理、方法與接口電路[M].北京：電子工業出版社，2011.

[5]趙金燕，吳興純，何繼燕，等.基于AT89C2051的溫濕度采集系統的硬件設計[J].電子設計工程，2011，19(12):172-174.ZHAO Jin-yan,WU Xin-chun,HE Ji-yan,et al.Design of AT89C2051 based temperature and humidity acquisition system hardware [J].Electronic Design Engineering,2011,19(12):172-174.

[6]呂文艷，李金瑩，楊宏業.基于ZigBee的設施農業監控系統[J].電子設計工程,2014,22(7):19-21.LV Wen-yan,LI Jin-ying,YNAG Hong-ye.ZigBee-based monitoring system of agricultural facilities[J].Electronic Design Engineering,2014,22(7):19-21.