智能溫室環境感知系統設計

韓鑫 王博 郭青青 劉思雨 徐柯 劉忠富

摘要：隨著傳感器技術和物聯網技術的發展，采用現代傳感器以及物聯網技術進行無線傳輸信息，對于農業溫室大棚環境監測具有一定的應用價值。本文以單片機STC15F2K60S2為核心，通過將光照強度傳感器、溫濕度傳感器、CO2傳感器整合在一個系統中，來實現對溫室大棚的監測和報警，并將數據通過無線傳輸方式傳送到監控室。通過對環境的監測與控制來提高作物產率和經濟效益。

關鍵詞：溫室大棚；單片機STC15F2K60S2；溫濕度傳感器；CO2傳感器

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：B

Design of intelligent greenhouse environment sensing system

HAN Xin， WANG Bo， GUO Qingqing， LIU Siyu， XU Ke， LIU Zhongfu

（College of Information & Communication Engineering， Dalian Minzu University， Liaoning Dalian 116600，China）

Abstract： With the development of sensor technology and Internet of things， using modern sensors and Internet of things technology for wireless transmission of information could have a certain application value on the agricultural greenhouse environmental monitoring. This article uses the MCU STC15F2K60S2 as the core integrating the light intensity sensor， temperature and humidity sensors， CO2 sensors in a system， to achieve the greenhouse monitoring and alarm. And transfer the data to the duty room. The research fruits could improve crop yield and economic benefit by monitoring and controlling the environment.

Keywords： greenhouse；STC15F2K60S2； temperature and humidity sensor； carbon dioxide sensor

0 引言

近年來，隨著經濟的迅速增長，農業的基礎研究和應用技術越來正日益受到廣泛重視，農業溫室基礎設施發展迅速，但是在自動監控方面仍存在著諸多問題。大多數溫室大棚采用的都是人工管理模式，種植產品單一，在環境管理上也并未形成完備優勢。相應地，智能溫室環境感知系統卻可以獲取人工管理中精細易忽略或未能感知到的環境指數變化，而且將其作為調整溫室環境各項指數的標準，從而優質發揮其理想控制實效作用。

基于此，本文即通過有針對性地將光照強度傳感器、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器整合在一個系統中，該系統能夠對溫室大棚內影響作物生長速度的重點關鍵項因素進行全程監控，同時還可對監測項數據提供顯示和傳送功能，另外也附配有報警提示，進而升級改進農業生產過程。

1 系統方案設計

溫室中，光照強度、溫濕度、CO2濃度對農作物的生長呈現有多方面影響，本次設計主要致力于將提高農作物的質量和產量、同時也要一并減少人力資源作為研發目的，也就是在對溫室環境進行檢測監控中來調節溫室環境，使各項指數更適合作物生長。研究成果具體用于完善溫度、濕度、光照度以及二氧化碳濃度檢測技術，用以滿足對溫室大棚建設的只能需要。概括來講，就是采用STC15F2K60S2單片機作為主控芯片，驅動溫濕度傳感器AM2302、光照強度傳感器GY-30和CO2濃度傳感器MH-Z14檢測數據，在2.2TFT屏上顯示數據和報警。

2 系統硬件電路設計

本設計用于溫室大棚環境指數檢測、監控和報警。硬件電路通過STC15F2K60S2單片機將各種傳感器集成到一個系統中來獲得各種功能實現，主要電路組成有溫濕度檢測電路、光照強度檢測電路、CO2濃度檢測電路、顯示電路、報警電路、按鍵電路、電源電路和無線傳輸電路。系統硬件設計構成如圖1所示。由圖1可知，電路設計中各組成部分的運行原理過程可做闡釋分述如下。

2.1 主控芯片電路設計

設計中，采用的STC15F2K60S2芯片是高速、可靠、抗干擾強的新一代單時鐘單片機，而且運行速度較快。這是由宏晶科技生產的51單片機，工作電壓在3.8～5.5V之間。晶振采用12MHz頻率。在實際應用時，晶振電路中的電容需要和晶振的大小實現匹配。濾波旁路電容則是置遇主控芯片的旁邊，用于過濾清除最后的干擾紋波。

2.2 電源電路設計

本文電源設計部分是直接連入220V的交流電，對電源的研發包括2個部分：交流電轉直流和直流電源的處理。

其中，交流轉直流電部分是單端反激式電源電路，單端反激開關電源采用了穩定性良好的雙環路反饋控制系統，可以通過開關電源的PWM（脈沖寬度調制器）迅速調整脈沖占空比，從而在每一個周期內對前一個周期的輸出電壓和初級線圈充磁峰值電流進行有效調節，達到穩定輸出電壓的目的。對應電路實現如圖2所示。

電源電路根據系統的不同要求輸出2個電壓電路，分別為輸出5V穩壓電路和3.3V穩壓電路。交流電壓經過處理得到5V穩壓直流電，再從5V電壓中得到3.3V電壓提供給主控單元電路。

2.3 溫濕度檢測電路設計

溫濕度傳感器芯片以單總線輸出數據傳到主控單元，并經由程序化后再發送到顯示屏來展現最終結果，該過程是以AM2302為核心完成主體電路設計。其工作電壓為3.3～6V，配置有單線制串行接口，主要應用于數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術中。設計電路如圖3所示。

2.4 光照強度檢測電路設計

光照強度的測量是通過核心芯片GY-30來構建設計方案。GY-30采用總線的方式而與單片機之間實現串行通信，工作電壓為3～5V，并且配有內置照度數字轉換器，可直接輸出光照強度數字。該測量電路如圖4所示。

2.5 CO2濃度檢測電路設計

MH-Z14A二氧化碳氣體傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對溫室內的CO2濃度進行檢測。該芯片工作電壓為4-6V，并提供有3種輸出方式：模擬電壓輸出、PWM波形輸出和UART輸出。MH-Z14A內置溫度傳感器用于溫度補償。實際電路如圖5所示。

2.6無線傳輸電路設計

采集到的環境各項指數需要通過無線傳輸模塊傳送到接收室，完成無線傳輸的芯片是NRF24L01。該芯片工作電壓為1.9～3.6V，其傳輸速率可達2Mbps，傳輸速度非常快。NRF24L01可以和各種型號的單片機配合使用，軟件編程簡單便捷。具體電路如圖6所示。

3 系統軟件設計

系統研發時，軟件設計包括2部分：發送端設計和接收端設計。發送端為重點設計模塊，不能能夠定制支持傳感器數據的采集、處理和顯示，而且通過無線模塊傳輸，還具有報警功能。接收端則是規劃完成無線接收及顯示功能。

3.1 發送端程序設計

當發送端初始化運行結束后，單片機將驅動CO2濃度傳感器、溫濕度傳感器、光照強度傳感器采集數據，并將計算后的數據反饋給單片機進行處理。系統采集到數據會產生一個中斷信號，從而轉入LCD的初始化設置。單片機處理后的數據就會發送到TFT顯示屏，還會經由無線傳輸模塊發出。用于發射的模塊在發生初始化之后，則會接收到單片機發來的數據并存入數組tx_buf，NFR24L01模塊接收后發送該數組內的數據。并且在判斷數據超出范圍后即會發出報警。發送端的軟件程序流程如圖7所示。

3.2 接收端程序設計

接收端程序設計主要是NRF24L01無線傳輸的接收，系統初始化配置NRF24L01信道工作頻率2.4GHZ，發射速率為1MHZ。接收模塊進入接收數據的狀態，通過讀取狀態寄存器來判斷是否接收到數據。如果未接收到數據，顯示屏顯示預設的固定值；如果已接收到，則顯示正在接收的數據。無線接收程序流程如圖8所示。

4 結束語

在本設計中，使用傳感器檢測溫室大棚內的溫濕度、光照強度和CO2濃度，并通過無線傳輸傳送數據，再運用顯示屏執行結果展示。整個過程即是依據目標任務提出了具體的設計方案并集結了一系列硬、軟件關鍵技術，從而最終實現了溫室環境系統的有效監測。不僅做到了通過數據的直觀顯示，而且同時配有蜂鳴器報警系統，因而本次功能設計可以成功應用于溫室大棚的智能檢測。

參考文獻：

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