基于單片機農業溫室溫濕度監控系統的設計

田彬彬　朱　亮　孫歆鈺

基于單片機農業溫室溫濕度監控系統的設計

田彬彬朱亮孫歆鈺

（荊楚理工工學院湖北荊門448000）

為了增加溫室農業產量，提高農業生產可操控化，文章對生產可調控設計了一種能夠對溫室的溫度和濕度等指標進行監控的操作系統。此系統采用以AT89S52 單片機為中央調控，應用性能優越的溫度傳感器和濕度調控器，通過傳感器對環境的感知最終實現對農業溫室溫度和濕度的整體調控。該系統通過修正溫度和濕度的參考值，實現對多種農作物進行監控，當環境溫度和濕度超過正常限度時，該程序會自動進行警示，并對中央控制中心發出警報，通過中央調控執行各個元件對農業溫室環境的修正。

單片機；農業溫室濕度；監控系統

我國是以農業為基礎的生產大國，農業的生產水平和農業生產裝備相對較為落后，生產工具以及技術還相對落后，我國的農業生產尚未擺脫粗放型的生產模式。伴隨科學技術的逐步發展，基于農業作為主的生產大國，我國農業生產現代化水平的不斷發展將是未來制約生產發展的主要因素，科學技術來指導生產發展是未來的主要趨勢之一，自動化控制水平的逐步完善，已經在農業生產領域受到更多的關注。

1 農業溫室濕度監控系統簡介與技術原理

1.1 監控系統簡介

在現代化作物基礎生產中，溫室設施作為現代化生產手段，在我國跨季生產有著極其重要的地位。生產的相關參數，如生產室溫、濕度等在農業溫室作物的生長中發揮重要作用，與作物生長周期呈正相關，溫室環境的變化和作物的抽芽、開花、結果、繁育等密切相關。因此，在溫室環境下，對各種環境數值如溫度、濕度進行測試和調控，是實現高質量、高產出、高效率的重要保證。目前，溫度和濕度的測量和調控在我國大部分農業溫室中仍以人工操作調控手段為主，尤其是北方地區的第四季度，受到環境以及氣候影響，晝夜氣溫變化差距大，溫度和濕度控制十分困難，不能及時反饋準確信息，極易導致生產效率降低，作物生長停滯甚至出現死亡等現象，這種情況導致了人力、物力、財力的重大消耗，作物產出效率大幅下降，導致嚴重的經濟損失。因此增強全國范圍內農業實現自動化控制力度，提升溫室作業溫度和濕度操控精確度，提高農業生產效率，采用更嚴謹、更合理的控制手段，調整參數如溫度、濕度符合溫室作物生長，因此農業的溫室溫度和濕度自主調控程序必須進行更快的發展和普及。

1.2 溫室系統應用技術

應用單片機作為農業溫室溫度和濕度的調控中心，通過實時環境的數據采集，對溫室整體環境進行控制系統,實現農業溫室實時檢查和有效地調控溫度和濕度。根據作物生產的要求,對現代化溫室設備以及農業生產工具進行合理設計，實現操作簡便，監控精準,單片機調控系統包含重要參數如溫度和濕度的實時調整和監控，確保預警功能系統的精確度和可操控性、降低生產成本和運行穩定等。單片機溫室技術不僅可以用在溫室種植、作物培育，還可以用于更多要求保持溫度和濕度恒定的生產，如水產養殖等,因此溫室調控系統的適用范圍非常廣闊，具有極好的發展前景。

2 單片機應用的關鍵硬件支持

2.1 單片機的控制器類型

溫室恒溫恒濕系統選用單片機作為處理多種參數的中樞，通過采集傳感器等對環境溫度以及濕度等相關參數進行采集，通過A/D交換系統后提交至單片機進行整理，最終運算出結果并顯示在監視器上、如出現異常參數，則啟動警報線路，通過單片機處理發出預警并進行實時調控。溫室恒溫恒濕系統的單片機采用AT89 S52型號，此類單片機能夠實現多平臺運轉，操作便利，監控平穩，成本較低，能夠實現對目標環境的溫度和濕度進行采集與整理。

2.2 單片機基礎數據及主要技術支持

單片機通過采集溫室內環境的基本數據，其中包括：空氣溫度、空氣濕度、日光照射時長、照射強度、空氣中氧含量、CO2占比、土壤溫度、土壤濕度、土壤無機鹽成分及濃度的采集與整理；采集元件對溫室內各種數據進行監控，并對溫室環境進行實時閾值設定以及數據參考運算和傳輸；溫室環境超過設定閾值，則啟動預警系統，通過報警器提示中央控制中心實時進行修正；溫室內傳感元件在溫室中運行狀態將實時顯示于單片機操控系統監視器上。空氣溫度設定正常值為 0 ℃~50 ℃之間，誤差不得超過±2 ℃。空氣濕度設定正常值為 20 %~90 % RH，誤差不得超過±5 %RH；日光照射時長和陽光收集強度隨著季節和時間實時進行修正與調整，通過傳感器反饋到處理中心，當光照強度高于閾值時，系統主動做出判斷，并采取遮陽元件；光照強度低于閾值時，系統進行反饋并進行溫室采光處理；CO2濃度設定閾值為 0~10 000 ppm；土壤溫度設定閾值為-30 ℃~70 ℃，誤差不得超過±0.4 ℃；土壤濕度設定閾值為0 %~100 %，誤差不得超過±3 ％；土壤鹽分濃度設定閾值為10 ~ 300 mol/mL，誤差不得超過±0.145 mol/mL。系統對以上參數精確控制，數據實時進行上傳和處理，閾值范圍以內傳感元件正常運行，如發生超過閾值范圍，傳感元件則啟動第二線路，屆時預警系統啟動。

2.3 單片機硬件支持與構造

關于硬件支持的單片機系統構造，包括供電系統和傳感系統。供電系統通過單片機的電源管理設定開關，使用多種傳感元件對溫室環境進行實時監控。傳感系統通過單片機收集環境參數，并上傳中樞系統進行數據統計分析，最后反饋到監視器顯示系統，由報警系統對預設的安全閾值進行監控、在系統中設定閾值的范圍，和系統內元件建立通信，實現超出閾值后報警操作，環境數據采集元件同預警系統連接，避免出現數據傳輸異常而未發生警報啟動的現象。單片機的硬件系統與中央調控中樞進行關聯，硬件系統通過單片機附屬元件的數據采集上傳實時數據并進行分析，最終傳輸至中樞系統。A/D轉換后的信號經系統篩選、采集和處理，處理后的信號通過轉化顯示于監視器上，并連接報警系統對超過閾值的環境參數進行調控。單片機采用STC12C5A60S2型號，此型號的單片機是集中式的處理核心，是具有耗能低、單價低、操作簡易特點的微控制器。單片機上的某些元件能夠實現基礎調控與收集的要求，單片機微控制器空間程序為60 kb，可在大多數I/O端口進行數據傳輸，共有36個傳輸線路端口，內置一塊大小為1 kEEPROM的數據采集元件，采用C語言程序進行編寫。

3 單片機的數據傳輸實現

3.1 單片機數據模塊

單片機通過數據顯示、監控與報警、數據轉換等模塊，實現數據的傳輸。

數據顯示選擇LM240128 G的監視器實現監測，LM240128 G監視器是一種基于 RA8806 微控制器的 LCD顯示器，RA8806 能夠實現數據與繪圖功能的點矩陣微機械顯示器，其中預設簡體/繁體中文和 ASCII字體的內置軟件，整體屏幕可進行八列文字顯示，每一行列能夠容納256 位字節顯示空間，能夠實現4位或8位串行數據線，實現8080 /6800 MPU的兼容連接，此系列對比51系列單片機，其串行線路通過主行導線對元件進行I/O連接，對比同型號產品，該單片機價格低廉，耗能低，操作簡便，因此廣泛應用于系統之中。

監測和預警系統通過繼電器將多個蜂鳴器連接，當溫室內各個環境指標超過設定閾值時，單片機系統的傳感元件與預警系統的繼電器建立通信，并接通蜂鳴器進行預警。同時，繼電器的環境參數收集元件通過上傳實時數據至中樞系統，經中樞系統運算后反饋合理數據，對環境調節元件發出指令，改善環境參數如溫度濕度等，實現環境調節。

數據轉化模塊利用TLC1543 型微控制器，通過串行接口連接單片機，微控制器內置14 通道多線路芯片，其中包括 11 個模擬輸入通道和 3 個內部通訊通道，在數據傳輸過程中能夠選擇其中的任意通道建立通訊。其中11 個模擬輸入通道在進行數據采集時，能夠通過不同信號源運算實時采集的數據。3個內部通信道具有反應速度快、反應精確度高、反應誤差小的優勢。微控制器通過與單片機建立通訊，并連接目標無線設備進行實時反饋，反饋途徑可以為有線傳輸途徑，也可以是無線短信傳輸，利用傳輸和微控制器，實現數據轉化與上傳。

3.2 單片機系統軟件設計

單片機軟件操作系統采用C語言編程，通過建立主程序、數據顯示程序、數據采集與上傳程序、單位元件操控程序、單位調控與計時程序、閾值警示與調控程序、EEPROM數據串聯程序、環境預警程序、中央調控程序等。當各個模塊聯通后，中央調控程序完成對整體數據的采集。采集數據后將處理反饋的數據提交至數據軟件濾波，進行校正處理。校正后的數據通過監視器顯示在液晶顯示器上，由系統和人工兩種途徑進行判斷，判斷環境參數是否超過閾值。如超過閾值，則預警系統啟動進行報警并啟動環境調節元件對超過閾值的參數進行修正，如未發生參數超出閾值則繼續進行環境數據采集。

4 小結

單片機農業溫室監控系統，通過自動化的操控和精準的環境控制，實現了國內農業產量的提升以及農村農業經濟的可持續發展，通過樹立以科技興農的理念和觀念，完成溫室恒定環境的控制與實現，進一步提升了跨季作物生產產量的提升以及生產質量的進步，通過智能調控實現作物量產，為我國農業產業發展健康、穩定、可持續提供源源不斷的動力。

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田彬彬(1999- )，男，漢族，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：計算機科學技術；朱亮(1999- )，男，漢族，河南固始人，本科在讀，研究方向：計算機科學技術。

S625

A

2095-1205(2020)03-78-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.03.46