水稻育種環境測控系統的設計

陸彥如，魏海峰

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇 鎮江，212003)

國內外在農業生產環境檢測方面的研究已有很多成果，且在農業生產中使用。劉冠雄等[1]根據環境溫度、濕度等相關因子，設計了溫室的結構以及加熱加濕裝置，但未涉及到降溫、除濕等，有待進一步優化。楊正君[2]針對機房設計了一種基于GPRS的自動溫濕度控制系統，但風機、空調設備較大，耗能還是較大。寧欣等[3]和邵鵬等[4]介紹了如何監測和采集溫濕度，但未提及如何進行相關處理與改善。田芳明等[5]介紹了基于PIC的溫濕度采集系統，采用無線傳輸方式，降低了功耗，節約了空間，但沒有很好的保證系統的抗干擾性。一些專家針對溫室大棚進行了環境因素的監測研究，但都未具體說明針對采集結果應如何采取措施[6～8]。王海昌等[9]介紹了以PS1016為核心的日光溫室綜合生態環境自動化調控系統，新穎但管理技術難度還是較大。還有一些專家分別采用不同技術與方法，研制了具有溫度自動控制、測量等功能的系統[10～13]，具有較強的穩定性、可靠性，但只涉及對溫度的監控，未進一步對其它環境因素進行研究。

水稻育種的整個過程中，對環境要求較為苛刻，其關鍵就在于控制溫濕度。因此，筆者綜合運用單片機技術、多傳感器信息融合技術、自動控制技術、無線通信技術、計算機技術等新技術，設計一種用于水稻浸種催芽的、新型的環境溫濕度多路測控系統，滿足當今農業生產的需求，彌補以往水稻在浸種催芽過程中溫濕度難以控制或精度不高的缺點，以期縮短育種時間、促進種子發芽、提高生產效率。

1 系統總體設計

系統的總體設計主要包括：一是系統溫度和濕度采集端設計，二是系統數據上傳端設計?？傮w設計大致又可分為三大部分：進行溫濕度采集的從機部分，與從機通信的主控機部分，與主控機相互傳輸數據的上位機部分。其中，每個從機都有屬于自身的一個唯一的地址，都先通過無線通信(多對一形式)與主微控制器實行溫濕度值的傳輸，主微控制器再和上位機通過串行口實行溫濕度的傳輸。

圖1為水稻育種房的溫濕度采集端框圖。本系統側重于對水稻育種環境中的溫度和濕度進行穩定的控制，在這個系統(從機部分)中又分為兩部分：輸入和輸出。其中，輸入部分主要是傳感器對溫濕度的采集，初始值的設定；而輸出部分主要是對采集到的溫濕度進行顯示，指示燈、蜂鳴器的響應，相應繼電器的動作反應。因為輸出量反饋到了輸入端，對輸入端產生影響，所以，這是一個閉環控制系統。

圖1 水稻育種環境測控系統的溫濕度采集端框圖

如圖2所示，數據上傳端，即主控室。溫濕度采集端電路從測量點采集數據，然后通過無線傳輸到主MCU，主控單片機發送控制指令，同時對測量結果進行整理并發送給上位機，從而實現實時的溫濕度的檢測、調節和控制。

圖2 水稻育種環境測控系統的數據上傳端框圖

2 系統的硬件設計

硬件設計分為溫濕度采集端設計和溫濕度上傳端設計兩大部分，都以單片機STC89C52最小系統為核心，數據采集部分需要在STC89C52最小系統外圍再配備上溫濕度采集電路、鍵盤輸入電路、顯示輸出電路、無線接收電路、報警電路，數據上傳部分需要在STC89C52最小系統外圍再配備上無線發送電路和串口通信電路。

設計過程：溫濕度傳感器DHT11采集并檢測環境中的溫濕度后傳輸給單片機STC89C52，然后把所采集到的數值做處理。一方面，送達液晶顯示屏LCD12864進行顯示，并與事先設置值比較，如采集到的數據不在設定的范圍內，系統中的蜂鳴器鳴叫，指示燈點亮，與此同時對應的裝置(加熱電阻絲，降溫風扇，加濕器，除濕器)執行自身功能來調整環境的溫濕度，直到環境參數恢復到設定值為止；另一方面，利用無線通信模塊，通過nRF905芯片接受數據，再把溫濕度值傳送到主MCU，然后經由串行口傳遞到PC機。

3 系統的軟件設計

軟件設計分為溫濕度采集端程序設計和數據接收端程序設計兩大部分，具體分為8個模塊。采用了C語言與匯編語言結合的方式，互相彌補不足，在開發環境方面，采用Keil uVision3編譯器。

3.1 主程序模塊設計

首先使單片機系統初始化，然后通過調用溫濕度測量、鍵盤、液晶顯示、無線收發等子程序模塊，來完成育種環境中溫濕度的測量、顯示與處理，然后實時的發送給數據接收端，若參數值不在設定范圍內則輸出執行控制信號(圖3)。實現主控機調用無線通信子程序接收來自溫濕度采集端發送來的溫濕度值，以及調用串口通信子程序把數據上傳到上位機(圖4)。

3.2 溫濕度測量模塊設計

通過DHT11采集環境多個測量點的溫濕度，實時傳遞給分控單片機，以引起液晶顯示屏的顯示、執行繼電器的動作、無線通信的接受與傳輸等。

3.3 鍵盤模塊設計

通過按鍵顯示相關設定值、檢測值和實時的時間，按“1”鍵1次可更改溫度設定值(按“3”鍵實行加的功能，按“4”鍵實行減的功能)，按“1”鍵第2次可更改濕度設定值(同上)，按“2”鍵顯示測量的實時溫濕度值。

圖4 水稻育種環境測控系統的數據上傳端主程序流程

3.4 液晶顯示模塊設計

通過調用時鐘子程序以及溫濕度測量子程序顯示相應時間、溫濕度設定值、溫濕度測量值等。

3.5 報警模塊設計

結合按鍵程序，通過按鍵程序設定溫濕度初始值，報警程序為設定值上下的一個范圍之外的報警(本次設計中設定上、下波動均為10)。測量得到的溫濕度參數值位于設定范圍內則相關裝置不產生任何輸出控制動作；測量得到的溫濕度參數值超出范圍，即環境參數值異常，則蜂鳴器發出警報聲并且伴隨著相應指示燈發光。

圖3 水稻育種環境測控系統的溫濕度采集端主程序流程

3.6 時鐘模塊設計

由于溫濕度檢測點超過30個，即使在同一環境下也會有不同情況發生，本次設計的時鐘信息包括年月日時分秒，并且時鐘程序函數用于主程序的調用。

3.7 執行輸出模塊設計

當測量的溫濕度值超出設定的初始值，相應的裝置開啟工作模式(升溫、降溫、加濕、除濕)。

3.8 通信模塊設計

無線通信：實現分MCU與主MCU的通信，即接受數據采集端(育種房)的信息然后發送到主控機。

串口通信：采用異步串口通信方式，在數據上傳端中完成主控單片機與PC機的數據傳輸(利用RS- 232接口，將數據按順序逐位傳送給PC機)。

4 實驗測試

4.1 系統調試

通過示波器去觀察分析相關波形以排除故障，監測結果如圖5所示，以得知繼電器工作狀態。當檢測到的溫濕度超過或低于設定的初始值，繼電器進入工作狀態，常開觸點閉合。

4.2 實驗結果

接通電源，按下開始按鍵，進入初始界面，延時幾秒后，可進行溫濕度初始值設定，按下“1”鍵，按1次可更改溫度設定值，按第2次可更改濕度設定值，期間，可按“3”鍵、“4”鍵進行溫濕度設定值的加減操作。

例如，設定溫度初始值為38 ℃，濕度初始值為39%，時鐘初始值為01:13:30。然后按下確定鍵(“2”鍵)，切換顯示界面，顯示檢測到的實時溫濕度，當溫濕度值不在設定范圍內則報警系統開啟，并且繼電器開始工作，來控制相應裝置執行自身功能使參數值恢復到初始設定值。如圖6所示，檢測到實時濕度為41%，溫度為31 ℃，當濕度高于設定值，溫度低于設定值，則開啟除濕、加熱模式，而且因為測量值均在設定值±10以內，所以報警系統未開啟。

圖5 水稻育種環境測控系統的繼電器工作界面 圖6 水稻育種環境測控系統的實驗結果顯示

5 結 論

本次設計圍繞水稻育種環境測控系統做相關研究，以單片機STC89C52為控制核心，結合DHT11溫濕度傳感器，實現了對溫濕度進行實時數據采集并顯示，當采集到的參數值不在設定范圍內系統做出報警反映并采取相應控制措施的功能。該設計具有較強的實時性、抗干擾性、可靠性，在一定程度上提高了經濟效益，具有較好的農業生產價值以及市場前景。

[1] 劉冠雄,李愛傳.水稻浸種催芽溫室單片機控制系統的設計[J].民營科技,2015(6):227.

[2] 楊正君.基于GPRS的溫濕度控制系統設計[J].河南科技學院學報,2012,40(6):72- 77.

[3] 寧欣,苗青林,李曉敏.基于單片機的環境監測系統設計[J].河南科技學院學報(自然科學版),2008,36(4):75- 77.

[4] 邵鵬.基于單片機的空調溫度測試測控系統設計[J].赤峰學院學報(自然科學版),2017,33(4上):30- 31.

[5] 田芳明,楊麗茹,金松海,等.基于PIC單片機的分布式無線溫濕度采集系統[J].黑龍江八一農墾大學學報,2011,23(1):79- 82.

[6] 王巍,譚峰.溫室大棚監控系統的研究與設計[J].黑龍江八一農墾大學學報,2012,24(4):76- 79.

[7] 李敏,曾明,孟臣,等.溫室大棚單片機數據采集系統設計[J].黑龍江八一農墾大學學報,2003,15(1):47- 51.

[8] 張萬里,高偉.AD574在大棚溫室環境檢測系統中的應用[J].長春大學學報,2014,249(12):1 648- 1 651.

[9] 王海昌,楊莉.PS1016單片機在日光溫室綜合生態環境自動化調控中的應用研究[J].山西農業大學學報,1998,18(3):274- 277.

[10] 周正,梁春英,劉坤,等.基于Wi- Fi的水稻浸種催芽溫度監控系統研究[J].黑龍江八一農墾大學學報,2016,28(4):105- 110.

[11] 劉蘇英,許枚.單片機實現溫度自動控制系統研究[J].赤峰學院學報(自然科學版),2012,28(12下):71- 72.

[12] 王憲偉.多點溫度無線測量系統的設計[J].長春大學學報,2005,15(4):11- 13,30.

[13] 于雷.基于單片機的水溫控制系統設計[J].長春大學學報,2011,21(8):28- 30.