陽臺農場環境控制系統設計

梁 鑫，張鑫宇，史穎剛，趙繼政，張 磊

(西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100)

隨著經濟、社會和科技的發展，觀賞農業、休閑農業、都市農業，成為農業的最新發展領域[1-2]。屋頂農場、室內農業、陽臺農業、墻體農業，是都市農業的主要研究內容[3-5]，其中，陽臺農場在城市居民中廣受歡迎[6-7]。目前，大多數陽臺農場仍主要靠人工管理，需要花費大量時間和精力。因此，筆者設計開發了一款成本低、功能全的陽臺農場環境控制系統。

1　系統整體設計

根據陽臺農場的目標功能，其自動控制系統包括：溫度監測及控制模塊、空氣濕度監測及控制模塊、土壤濕度監測及控制模塊、光照強度監測及控制模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊。系統整體框架圖如圖1所示[3-4,6-7]。選用SCT89C52單片機核心控制芯片，選用DHT11數字輸出式溫濕度傳感器檢測空氣溫度和濕度，選用YL-69傳感器檢測土壤濕度，選用BH1750光照傳感器檢測光照強度，傳感器采集的環境信息后，通過LCD1602液晶顯示屏顯示。同時，傳感器采集數據傳輸到主控芯片中，與設置的環境參數閾值進行比較。當某環境參數值超過閾值時，LED燈亮，進行報警提示，控制外置設備啟動，進行調控。系統選用植物生長燈增加溫度和光照強度，選用風扇降低溫度和空氣濕度，選用加濕器增加空氣濕度，選用水泵增加土壤濕度，直至該參數值達到合理范圍后，LED燈關閉。

圖1　系統整體框架Fig.1　System framework

2　系統電路設計

溫濕度傳感器DHT11的通信方式為單總線方式，DATA口與單片機的P1.0連接，將測得的空氣溫濕度，以數字方式傳送給單片機。土壤濕度傳感器YL-69的電極片，可以使濕度信號轉變為高低電平數字信號，土壤濕度越大，獲取的模擬量值越小。光照傳感器BH1750共有5個端口，用時只需接其中的4個，SCL時鐘線和SDA數據線分別連接到單片機的P1.3和P1.4上，用于傳輸數據。數據顯示，采用LCD1602，其與單片機的P0口連接，接收單片機處理后的參數數據，顯示當前環境的空氣溫度和濕度值、土壤濕度、光照強度以及按鍵設定的各參數閾值[8-9]。

系統主控電路采用SCT89C52的最小系統，這里不再贅述。用于改變參數閾值大小的按鍵，分為設置、增加、減小3個按鍵，分別與單片機的P3.2、P3.3、P3.4連接。設置鍵用來切換要改變的閾值的種類，增加鍵和減小鍵用于閾值設置。其中，按鍵時，光照強度閾值每次改變50 lx，溫度閾值每次改變1 ℃，空氣濕度和土壤濕度每次改變1%。

繼電器用于控制植物生長燈、風扇、加濕器和水泵的開關，其電路原理如圖2所示。P2是KF128-2P端子，用來連接外設。LED用于參數值不符合閾值范圍時的報警。

圖2　繼電器電路Fig.2　Relay circuit

3　系統軟件設計

系統工作的整體流程如圖3所示，單片機讀取參數檢測電路數據，實時顯示在LCD1602上，檢測按鍵是否按下，如果是，進入按鍵所代表的功能程序中去，然后再進行參數判斷，比較檢測數據與設定閾值，判斷是否超出設定閾值，若超出，則控制外接設備啟動，調控各參數，否則繼續檢測。

圖3　系統軟件流程Fig.3　System software flow

LCD1602顯示程序如圖4所示。LCD是分塊的8×8點陣，顯示時根據坐標進行定位，再從字庫里提取所需要的符號進行顯示，由定位顯示結合按鍵控制。

圖4　LCD1602顯示程序流程Fig.4　LCD1602 display program flow

鍵盤掃描程序流程如圖5所示。Key1為設置鍵，根據按鍵次數，分別對應8種按鍵模式，模式功能如表1所示。當按下Key1的次數大于等于8，次數計數變為0，返回按鍵模式0。Key2對應增加鍵，使相應的閾值增加；Key3對應減小鍵，使相應的閾值減小。

圖5　鍵盤掃描程序流程Fig.5　Keyboard scanning program flow

編號No.模式Mode功能Function10顯示當前光照強度、空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度的值21溫度上限閾值可改變32濕度上限閾值可改變43溫度下限閾值可改變54濕度下限閾值可改變65土壤濕度上限閾值可改變76光照下限閾值可改變87土壤濕度下限閾值可改變

參數控制模塊程序流程如圖6所示。用戶根可據植物生長的要求，在單片機的內部存儲器中設定4個參數閾值，系統檢測數據將會與預設閾值進行比較，超出閾值范圍，則進入報警調控模式，進行相應的調控。外界環境處于植物的生長區間內時，植物處于最佳生長環境。

圖6　參數控制模塊程序流程Fig.6　Parameter control module program flow

報警調控及外置設備控制的中斷程序流程如圖7所示。報警調控，包括LED燈的亮、滅，外置設備的啟動與停止。4個報警燈，分別對應空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度、光照強度4個參數，當傳感器數值不滿足閾值時，報警模塊及外部設備啟動，并開始參數調控，直到報警信號解除。

程序中的定時器中斷0服務程序，是為了在環境參數異常的時候，控制外置設備進行調控。檢測進入中斷后，首先關閉總中斷和外部INT0中斷，然后判斷是否有來自傳感器的低電平信號，若是，則開啟定時器0，結束此次中斷，否則返回繼續檢測。

圖7　外置設備控制中斷程序流程Fig.7　External device control interrupt program flow

最終設計的陽臺農場環境控制系統如圖8所示。

圖8　陽臺農場環境控制系統Fig.8　Balcony farm environment control system

4　結語

該研究設計的陽臺農場環境控制系統可以實現空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度、光照強度的數據監測、顯示及自動調控。系統可檢測21%～91%內的空氣濕度，誤差范圍±5%；0～50 ℃的空氣溫度，誤差范圍±2 ℃；光照測量范圍為1～65 535 lx；土壤濕度的測量范圍為1%～100%。該設計操作簡單、成本低廉，使普通人就可以實現陽臺農場管理，并實現科學種養殖。但系統在功能的多樣性和自動化的程度上仍有很大的不足，比如沒有遠程調控功能和除病蟲害的功能，這些缺點將在后續的研究中進行改進。

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