基于單片機(jī)的智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟凡宇

摘 ?要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)已經(jīng)度過(guò)機(jī)械化進(jìn)程，同時(shí)農(nóng)業(yè)的發(fā)展一直離不開(kāi)一種基本承載設(shè)施——溫室大棚，溫室大棚已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖的主流，使其智能化對(duì)農(nóng)業(yè)的整體發(fā)展具有重大的意義。該文主要研究了基于單片機(jī)的智能化溫室大棚系統(tǒng)，具有植物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集、傳送、分析、儲(chǔ)存，遠(yuǎn)程手動(dòng)控制及系統(tǒng)自動(dòng)控制改變植物生長(zhǎng)環(huán)境等功能。通過(guò)前期溫濕度、光照等信息的采集，形成信息庫(kù)，并分析出最適合植物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，將其設(shè)定成基本參數(shù)，系統(tǒng)以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)溫、補(bǔ)光、灌溉、保溫、運(yùn)輸?shù)裙δ堋?/p>

關(guān)鍵詞：智能化 ?溫室大棚 ?STM32型單片機(jī) ?傳感器 ?藍(lán)牙

中圖分類號(hào)：TP273 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（c）-0010-03

Abstract： With the development of economy， China's agriculture has gone through the process of mechanization. At the same time， the development of agriculture has been inseparable from a basic bearing facility - greenhouse， greenhouse has become the mainstream of agricultural breeding， making its intellectualization has great significance for the overall development of agriculture.This paper mainly studies the Intelligent Greenhouse System Based on single-chip computer， which has the functions of monitoring plant growth environment， data acquisition， transmission， analysis， storage， remote manual control and automatic control system to change plant growth environment. Through collecting the information of temperature， humidity， light and so on， the information database is formed， and the most suitable environmental conditions for plant growth are analyzed， and the basic parameters are set. The system realizes the functions of automatic temperature regulation， light supplement， irrigation， heat preservation， transportation and so on.

Key Words： Intelligent; Greenhouse greenhouse; STM32 MCU; Senso; Bluetooth

1 ?引言

1.1 課題研究的背景和意義

在生活智能化要求下，作為人類所從事的最持久的行業(yè)，也是人類社會(huì)文明基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)，并沒(méi)有死氣沉沉的，相反發(fā)展得如火如荼，智能農(nóng)業(yè)已經(jīng)智能化時(shí)代的重要組成部分。智能農(nóng)業(yè)充分利用了現(xiàn)代通信技術(shù)和電子電力技術(shù)，將各種傳感器和控制模塊有效連接，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)種植中的許多方面發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用，如種子檢測(cè)、智能種植、作物檢測(cè)、生長(zhǎng)環(huán)境的改變和保持等。而智能化溫室大棚正是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化的一個(gè)很好的實(shí)物載體。智能化溫室大棚能夠通過(guò)各類環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器及無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸，前期運(yùn)用計(jì)算機(jī)將植物的生長(zhǎng)狀況、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等收集起來(lái)，得出最佳的自適應(yīng)植物生長(zhǎng)環(huán)境條件導(dǎo)入系統(tǒng)，通過(guò)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比，使系統(tǒng)能夠自主實(shí)現(xiàn)改變植物生長(zhǎng)環(huán)境的功能，將環(huán)境保持在最佳的最合適的狀態(tài)，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，進(jìn)而提高我國(guó)農(nóng)民的生活品質(zhì)，為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化做出突出貢獻(xiàn)。

1.2 主要內(nèi)容

該課題通過(guò)分析智能溫室大棚的背景及意義，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的智能溫室大棚系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，自行制定并開(kāi)發(fā)出一套適合我國(guó)北方的智能化的溫室大棚控制系統(tǒng)。

首先完成溫室大棚的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括溫室大棚的整體機(jī)械架構(gòu)，使其能做到保溫通風(fēng)效果好，采光面積大等特點(diǎn);接下將溫室大棚劃分區(qū)域，并將各類裝置合理安裝;搭建出仿真度極高的智能化溫室大棚實(shí)物模型。

2 ?系統(tǒng)概述

2.1 溫室大棚架構(gòu)參數(shù)簡(jiǎn)介

說(shuō)明：此次課題主要設(shè)計(jì)的是單層的、塑料覆蓋的、單面采光的利用混合材料搭建的溫室大棚，所以以下溫室大棚參數(shù)主要針對(duì)于此類溫室大棚。

此類溫室大棚的主要構(gòu)成部分包括承重骨架、后背墻體、后屋面墻體、側(cè)面墻體、覆蓋材料、保溫維護(hù)設(shè)施等，如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

目前國(guó)內(nèi)溫室大棚主要集中在北方，具有覆蓋面積集中，建設(shè)規(guī)整且分布均勻等特點(diǎn)，同時(shí)由于北方的雨雪天氣頻繁出現(xiàn)，所以該課題研究的基于單片機(jī)的智能溫室大棚系統(tǒng)劃分為3個(gè)子系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)北方溫室大棚所處的環(huán)境，其中包括遠(yuǎn)程監(jiān)視控制子系統(tǒng)、藍(lán)牙傳輸子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)處理子系統(tǒng)。

該系統(tǒng)將整個(gè)的溫室大棚劃分兩個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)控制區(qū)域，經(jīng)過(guò)3個(gè)子系統(tǒng)的相互配合，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和分區(qū)控制，同時(shí)分區(qū)控制還分為遠(yuǎn)程手動(dòng)控制以及實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。同時(shí)為防止由于不可預(yù)知因素影響藍(lán)牙傳輸子系統(tǒng)工作的情況發(fā)生，將在實(shí)時(shí)檢測(cè)控制子系統(tǒng)中添加優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制的手動(dòng)控制功能，但初始化時(shí)此功能將處于關(guān)閉狀態(tài)，可在后期手中開(kāi)啟。

3 ?系統(tǒng)調(diào)試與分析

在系統(tǒng)的硬件焊接完成后，進(jìn)行通電測(cè)試，本系統(tǒng)采用獨(dú)立電池的供電方式，利用Arduino 2560單片機(jī)進(jìn)行降壓，完成對(duì)顯示屏、hc-05藍(lán)牙、LED信號(hào)燈、蜂鳴器的供電，當(dāng)通電后，系統(tǒng)初始化正常，功能測(cè)試如下。

首先當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，開(kāi)始通過(guò)矩陣鍵盤(pán)設(shè)置各個(gè)溫室環(huán)境條件的控制范圍，通過(guò)按D鍵設(shè)置并確定，之后按A鍵，啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收功能，LED1信號(hào)燈燈點(diǎn)亮，數(shù)據(jù)開(kāi)始接收，并顯示到LCD 12864顯示屏，表示數(shù)據(jù)接收功能正常;按下B鍵，啟動(dòng)手動(dòng)遠(yuǎn)程功能，LED2信號(hào)燈點(diǎn)亮，此時(shí)按下矩陣鍵盤(pán)上的的按鍵，溫室大棚相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)施開(kāi)始工作;按下C鍵，啟動(dòng)歷史數(shù)據(jù)查詢功能LED3信號(hào)燈燈點(diǎn)亮，通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸出查詢?nèi)掌诤螅@示屏顯示出歷史數(shù)據(jù);同時(shí)人為的過(guò)度改變溫室環(huán)境，當(dāng)某一條件超出設(shè)定范圍（或者失火時(shí)）時(shí)，蜂鳴器及LED4信號(hào)燈（紅色）開(kāi)始工作，綜合以上，該系統(tǒng)全部功能均已實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖2至圖5）。

4 ?結(jié)語(yǔ)

該課題完成了一種基于單片機(jī)的智能溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主要采用STM32型以及Arduino型單片機(jī)的開(kāi)發(fā)技術(shù)、藍(lán)牙的無(wú)線傳輸技術(shù)以及各種環(huán)境傳感器的檢測(cè)技術(shù)，最終以硬件系統(tǒng)的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，完成狀況達(dá)到課題所要求效果，該硬件系統(tǒng)能較好地模擬實(shí)際溫室大棚的環(huán)境，完成整個(gè)智能化系統(tǒng)功能。

在實(shí)時(shí)檢測(cè)處理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集，且傳輸情況良好，達(dá)到了及時(shí)準(zhǔn)確的效果，雖然不同數(shù)據(jù)的精度控制有所偏差，但是總體上符合課題要求，不影響實(shí)際的應(yīng)用，其中空氣溫濕度檢測(cè)方面達(dá)到了最佳效果，基本上無(wú)偏差，測(cè)量精度為1度左右，其他數(shù)據(jù)精度也完全在預(yù)期范圍內(nèi);同時(shí)雨水、火焰?zhèn)鞲衅髂軠?zhǔn)確檢測(cè)到是否下雨或失火，以輔助完成收攏保溫設(shè)施及滅火的功能，并且水泵等其他調(diào)節(jié)環(huán)境設(shè)施控制也基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。

在遠(yuǎn)程監(jiān)視控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的接收狀態(tài)良好，能夠完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史數(shù)據(jù)查看的功能，其中由于硬件內(nèi)存的的有限，所以數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以小時(shí)為單位進(jìn)行存儲(chǔ)，每一小時(shí)存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)定期刪除更新，在數(shù)據(jù)顯示方面設(shè)置了LCD 12864顯示屏分別顯示溫室內(nèi)兩個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，以達(dá)到清晰可辨的目的，設(shè)置了矩陣鍵盤(pán)，通過(guò)手動(dòng)按鍵向系統(tǒng)發(fā)送對(duì)應(yīng)命令，因此遠(yuǎn)程監(jiān)視控制系統(tǒng)功能全部完成。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉定策，伍家鴻，王浩，等.基于STC單片機(jī)的名貴花卉全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)智能裝置[J].自動(dòng)化與儀表，2019（8）：73-76.

[2] 李澤熙，荊嘉寧，周欣欣.基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練探究[J].現(xiàn)代鹽化工，2019（3）：164-165.

[3] 王杰.基于51單片機(jī)的電容電感測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（24）：32-33.