現代化智慧農業溫室監控系統設計

閔 沛，鄭劍鋒，強 浩，曹偉建

（1.江蘇杰克儀表有限公司，淮安 211600；2.常州大學 城市軌道交通學院，常州 320400）

植物能否健康的生長發育取決于外部環境條件，光照強度、溫度、水分、和二氧化碳濃度等是影響植物生長發育的重要因素[1-3]。大型的溫室控制系統都以物聯網為基礎[4-7]，而本系統采用單片機為核心控制元件，通過溫度傳感器、土壤濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強度傳感器檢測植物生長環境指數，經過單片機的判斷處理，控制相應設備，協同工作，創造一個適合植物生長的環境，本系統還可以在上位機觀測當前或者是過去一段時間里溫室內的環境參數，并能修改原來設定的參數，實現對各溫室的監控。

1 溫室監控系統總體設計

本系統主要由上位機PC端和下位機監控端組成。PC端基于Visual Studio 2010，采用C#語言及MySQL數據庫實現，定時采集并保存溫度、二氧化碳濃度、土壤濕度及光照強度數據，實時監測溫室環境，同時可通過RS485將修改的設定參數發送到監控端。監控端由單片機及各類傳感器組成，通過單片機及傳感器采集溫室內的環境指數，如溫度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度。因為在農業生產中，整個農業種植區由多個溫室組成，為了便于監控，故采用雙層設計，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System schematic

監控端由多個硬件模塊組成，如顯示模塊、通信模塊、控制模塊、數據采集模塊等，如圖2所示。

圖2 監控端硬件結構Fig.2 Hardware block diagram of monitoring terminal

顯示模塊顯示當前溫室內的各項環境因素值，便于人們實時觀察。通信模塊主要負責與PC端的聯系。監控端單片機根據采集到的數據判定當前的控制模塊是否需要啟動，若判定溫度過高，則開啟降溫設備，溫度過低則打開加熱器；若土壤濕度過低，則開啟噴灌；若光照過強或過弱，可適時調節有色玻璃；若二氧化碳濃度過低，則開啟增加二氧化碳的設備，過高則開啟排風扇等。

2 溫室監控系統監控端設計

下位機監控端是本系統的核心，承擔著數據的傳送接收、控制器件的開關及所有溫室環境參數的采集與處理。本設計中，選用STC12C5A60S2單片機實現系統的設計。

2.1 溫度檢測模塊設計

植物的生長與溫度有著密不可分的關系，溫度傳感器負責實時采集各個時間點上溫室內的溫度數據，傳遞給單片機。本系統中選用DS18B20，它不需要與AD相連，直接是數字量輸出，使用簡單，便于操作。

DS18B20外形像一個三極管，有3個引腳，分別是GND、DQ、VCC，對應接地、接單片機P2.3口、接電源，整個電路如圖3所示。采用外部供電方式，電阻R1起上拉用。

圖3 溫度檢測電路Fig.3 Temperature detection circuit

2.2 光照強度檢測模塊設計

光照是蔬菜作物光合作用的能源，光照條件的好壞直接影響到作物光合作用的強弱，從而明顯影響到產量的高低。本設計使用光敏電阻， 選用 STC12C5A60S2，設計電路如圖4所示，片內P1口自帶AD轉換，將模擬量送入單片機P1.1口（IN0）。

圖4 光照強度檢測電路Fig.4 Light intensity detection circuit

2.3 土壤濕度檢測模塊設計

土壤中的水分對植物的生長非常重要，水分充足才能有利于植物的健康生長，本系統中選用YL-100，連接電路如圖5所示，將模擬量送到單片機自帶的AD轉換口P1.2（IN1）。

圖5 土壤濕度檢測電路Fig.5 Soil moisture detection circuit

2.4 二氧化碳濃度檢測模塊設計

圖6 二氧化碳濃度檢測電路Fig.6 Carbon dioxide concentration detection circuit

二氧化碳是植物生長的養料，促進光合作用，促進生長。本系統選用MS4100，連接電路如圖6所示。MS4100的電壓輸出范圍大約在190 mV～510 mV之間，由此特性可知，要對其信號進行放大，才能得到所需電壓值。

2.5 顯示模塊設計

單片機通過顯示模塊顯示溫室內的溫度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳濃度。根據顯示設備可實時了解溫室內的環境指數，判斷植物的生長狀況。12864 OLCD液晶屏如圖7采用I2C通信，與單片機連接。

圖7 顯示電路Fig.7 Display circuit

2.6 通信模塊設計

在本系統中，PC端與多個監控端進行通信，實時顯示各溫室內的4項環境數據。根據實際情況綜合考慮，對于多個溫室控制，一般溫室位置比較分散，無線通信的距離不能達到要求，因此本系統采用RS485有線通信方式實現PC端與各監控端的通訊。它的最大的通信距離約為1200 m，最大傳輸速率為10 Mb/s。PC端接一個USB/RS485的轉換器，每一個監控端都要接一個RS485/TTL模塊，其連接如圖8所示。

監控端1的RXD接RS485模塊的RO引腳，TXD接RS485模塊的DI引腳，PC端RS485轉TTL模塊的A接監控端1的RS485轉TTL模塊的A，監控端1的A再接監控端2的A，以此類推。PC端的B引腳，監控端的B引腳接法同A引腳一樣。

2.7 繼電器控制及報警模塊設計

本系統中要控制一些高電壓電器，如果將它直接接入單片機，會造成單片機的損壞，故需要通過繼電器將高電壓電器與單片機電路隔離，其電路如圖9所示。

圖9 繼電器控制電路Fig.9 Relay control circuit

單片機主要根據4個傳感器測得的4項環境指數，與預設的環境參數比較，判斷是否啟動相應的繼電器調節環境。系統中用到7組繼電器，主要調節功能如表1所示。

表1 繼電器控制功能Tab.1 Relay control function

3 溫室監控系統程序實現

3.1 監控端程序設計

單片機所占用的I/O口如表2所示。程序初始化后，調用AD轉換程序，將二氧化碳濃度、土壤濕度及光照強度模擬量轉化為數字量，再調用測溫子函數，讀取溫度值，得到4項環境指數值，與設定值進行比較，不在預定范圍內，則報警，相應I/O置1，再將測得的值顯示出來，如果接收到通訊命令，則與PC端進行通信。其主程序流程如圖10所示。

3.2 PC端軟件設計

本系統上位機（PC端）基于Visual Studio 2010，采用C#語言實現。定時采集溫度、二氧化碳濃度、土壤濕度及光照強度數據，實現溫室的實時監控，同時將數據存入數據庫。

表2 單片機I/O口分配Tab.2 SCM I/O port allocation

圖10 主程序流程Fig.10 Program flow chart

3.2.1 串口參數設計

串口信息設置區有串行口號、波特率下拉菜單選擇、校驗位選擇、停止位選擇、打開串口/關閉串口按鈕，如圖11所示。波特率可選擇范圍為600～460800；校驗位可選擇無校驗、奇校驗、偶校驗、0校驗、1校驗；停止位可選擇1位、1.5位、2位；按鈕觸發事件為打開或關閉串口；溫室選擇里可以選擇溫室1～溫室8。開啟實時監控就可對當前溫室進行實時監控。

圖11 串口參數設計Fig.11 Serial port parameters design

3.2.2 數據顯示設計

系統數據主要分為兩部分，即通過串口查詢某一溫室的數據并進行實時顯示以及對各溫室歷史數據的顯示。

當PC端向監控端發送問詢命令時，監控端才給PC端發送采集到的數據。本系統PC端使用Timer控件，定時向監控端發送詢問命令，監控端接收到命令就向PC端發送數據。監控端發送11組（溫度，土壤濕度，光照強度，二氧化碳濃度，溫度上限，溫度下限，光照強度上限，光照強度下限，二氧化碳濃度上限，二氧化碳濃度下限，土壤濕度下限）數據給PC端。為方便PC端的處理，首先在監控端發送時就對數據進行處理，即將11組數據放在一起，以標識符左尖括號“＜”開始，標識符右尖括號“＞”結束，每組數據以分隔符“|”分隔。PC端接收到這一組數據，進行處理，顯示界面如圖12所示。

圖12 實時參數顯示Fig.12 Real-time parameter display

為了顯示歷史數據，本系統采用MySQL數據庫，將每個溫室內測得的4項環境參數定時采集，存送到數據庫。為此建立的表單主要有兩類：一類用于存儲每個溫室的地址，編號和名稱，表名為Greenhouse，如表3所示，其中address為主鍵；另一類顯示每一溫室的具體參數，表名為Greenhouse_X，“X”為溫室編號，如表4所示，其中id為主鍵。

表3 Greenhouse信息表Tab.3 Greenhouse database

表4 Greenhouse_X信息表Tab.4 Greenhouse_X database

歷史數據采用折線圖顯示，如圖13所示。

圖13 溫室1的歷史數據顯示Fig.13 History data of Greenhouse 1

4 結語

不管是現代化農業，還是更加前衛的智慧農業，都說明農業自動化是以后農業發展的一個重要方向。本文基于單片機實現了溫室監控系統的設計，通過溫度傳感器、土壤濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強度傳感器等實時采集溫室各參數，采用RS485通訊方式實現了PC端與各監控端的數據交互，同時還可以控制相應設備，協同工作，創造一個適合植物生長的環境。

[1]楊學坤，蔣曉，褚剛.溫室環境控制技術的研究現狀與發展趨勢[J].中國農機化學報，2013（7）：16-18．

[2]董小芳，宛石.智慧農業已初露端倪[J].中華合作時報，2011（4）：5.

[3]潘慧.濰坊市農業信息化現狀與發展模式研究[D].泰安：山東農業大學，2014.

[4]譚靜芳.淺談溫室自動控制技術的發展概況[J].農業裝備技術，2005（5）：21-27.

[5]紀文義，張繼成，鄭萍，等.基于無線網絡的農田灌溉智能檢測系統[J].農機化研究，2013，35（10）：171-172.

[6]G.van Straten，E.J.van Henten.Optimal greenhouse cultivation control：survey and perspectives[J].IFAC Proceedings Volumes，2010：12-13．

[7]Brown，C.，Waldron，S.Agrarian change，agricultural modernization and the modelling of agricultural households[J].USA：Agricultural Systems，2013：2-3.