智能蔬菜大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉雯

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅武威，733006）

0 引言

當(dāng)前，科技引領(lǐng)下的新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，蔬菜大棚等生產(chǎn)方式大大提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和適應(yīng)性。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等一批新型技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚的控制系統(tǒng)中，溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)總體上正朝著無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中溫濕度、光照等參數(shù)控制對(duì)于促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)意義重大。農(nóng)村小規(guī)模蔬菜大棚仍采用傳統(tǒng)人工溫濕度控制方式，存在控制精度不高、響應(yīng)不及時(shí)等缺點(diǎn)，為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制蔬菜大棚環(huán)境控制系統(tǒng)。

溫室大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)課調(diào)控設(shè)備包括各種開窗、強(qiáng)制通風(fēng)、拉幕保護(hù)、輔助調(diào)溫等，可有效改善溫室大棚內(nèi)部生產(chǎn)環(huán)境。常用蔬菜大棚控制系統(tǒng)中，一般由微控制器、溫濕度檢測(cè)及控制、光照強(qiáng)度檢測(cè)等模塊構(gòu)成。通過(guò)單片機(jī)對(duì)大棚內(nèi)部環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度進(jìn)行信號(hào)采集，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)液晶顯示后實(shí)時(shí)將測(cè)量值與閾值進(jìn)行對(duì)比。如參數(shù)超出農(nóng)作物正常適應(yīng)范圍，則通過(guò)微控制器驅(qū)動(dòng)溫濕度、光照強(qiáng)度等控制電路，對(duì)大棚內(nèi)部相應(yīng)處理設(shè)備進(jìn)行控制。當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)達(dá)到農(nóng)作物適宜范圍時(shí)則及時(shí)關(guān)停處理設(shè)備。若長(zhǎng)時(shí)間都無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)所需生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)，則通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。本設(shè)計(jì)以作物最適宜的環(huán)境參數(shù)作為控制重點(diǎn)，經(jīng)對(duì)比分析提出總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)對(duì)比分析確定核心芯片類型的基礎(chǔ)上進(jìn)行整體電路設(shè)計(jì)及程序開發(fā)，完成預(yù)期功能。

1 系統(tǒng)方案對(duì)比分析

傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，若采用模擬元器件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常會(huì)影響測(cè)控系統(tǒng)的精確度。本設(shè)計(jì)結(jié)合蔬菜大棚實(shí)際生產(chǎn)需求，主要對(duì)環(huán)境溫濕度及光照強(qiáng)度等進(jìn)行控制。以STC89C51單片機(jī)為控制核心，用DHT11傳感器對(duì)環(huán)境中的溫度與濕度進(jìn)行檢測(cè)，使用光敏電阻和PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行光照強(qiáng)度檢測(cè)，利用LCD1602顯示模塊對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。如果溫濕度實(shí)測(cè)值沒(méi)有在安全閾值范圍內(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)燈光報(bào)警，并啟動(dòng)相應(yīng)的溫濕度調(diào)節(jié)控制設(shè)備。如果光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)，則通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)卷簾實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的合理控制。系統(tǒng)還增加了按鍵電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度值的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以及具備了對(duì)加濕器、加溫器的實(shí)時(shí)控制功能。本設(shè)計(jì)以農(nóng)作物最適宜的溫濕度范圍作為控制方向，對(duì)蔬菜大棚內(nèi)溫濕度進(jìn)行合理調(diào)整，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器主要有光敏電阻和太陽(yáng)能電池板。太陽(yáng)能電池板可采集周圍光照強(qiáng)度并輸出對(duì)應(yīng)電壓。而光敏電阻是通過(guò)不同強(qiáng)度的光照射所引起的阻值變化，間接表示環(huán)境光照強(qiáng)度。鑒于太陽(yáng)能電池板在室內(nèi)不同光照強(qiáng)度下，輸出電壓變化不明顯，本設(shè)計(jì)采用光敏電阻進(jìn)行光照強(qiáng)度檢測(cè)。本文主要對(duì)溫度、濕度及光強(qiáng)三個(gè)環(huán)境因素進(jìn)行控制，檢測(cè)到參數(shù)高于或低于上下限閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)注指定控制相關(guān)處理設(shè)備動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)參數(shù)的控制。此外，為保證大棚控制系統(tǒng)安全可靠，采用HK4100F繼電器模塊間接控制對(duì)應(yīng)處理設(shè)備。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采用的STC89C51單片機(jī)是一種可在低電壓工作的高性能8位微處理器。其存儲(chǔ)單元有4k容量，兼容51指令系統(tǒng)及80C51產(chǎn)品。單片機(jī)控制最小系統(tǒng)由電源、復(fù)位、振蕩電路等組成，最小系統(tǒng)中的電源供電采用USB實(shí)現(xiàn)。因后續(xù)需驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路，設(shè)計(jì)采用兩個(gè)USB電源接口均為5V/1A。晶振電路可為單片機(jī)正常工作提供穩(wěn)定頻率，設(shè)計(jì)采用的晶振為單片機(jī)提供11.0592MHz的工作主頻。為提高晶振可靠性，采用30pF電容進(jìn)行去耦。

為防止單片機(jī)掉電時(shí)寄存器異常或程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)中添加了采用上電復(fù)位方式的復(fù)位電路，對(duì)單片機(jī)的寄存器進(jìn)行清零初始化。STC89C51單片機(jī)為高電平復(fù)位，一般情況下在復(fù)位引腳RST上連接一個(gè)10μF的電容到VCC，之后在連接一個(gè)10k的電阻到GND，以此形成一個(gè)RC充放電回路，用以保證單片機(jī)在上電時(shí)有足夠時(shí)間的的高電平進(jìn)行復(fù)位。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

2.2 溫濕度采集模塊

設(shè)計(jì)中對(duì)溫濕度采集采用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器是一款能輸出數(shù)字信號(hào)的單總線傳感器。利用數(shù)字模塊采集技術(shù)使得該產(chǎn)品具有穩(wěn)定可靠的性能。DHT11傳感器內(nèi)部包含電阻式感濕元件及NTC測(cè)溫元件，可直接與高性能的單片機(jī)相連接。DHT11在信號(hào)處理過(guò)程中會(huì)調(diào)用一次性可編程儲(chǔ)存器中的校準(zhǔn)系數(shù)，該系數(shù)是在精準(zhǔn)校驗(yàn)室中校準(zhǔn)并以程序形式儲(chǔ)存的。采用單線制串行接口使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中更簡(jiǎn)便快捷。

數(shù)字型溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了高度集成化，將溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換及信號(hào)變換等功能集成在一起，通過(guò)數(shù)字式串型數(shù)據(jù)接口輸出數(shù)字信號(hào)。溫濕度檢測(cè)模塊的電路相對(duì)簡(jiǎn)單，僅需提供5V電源，輸出引腳外加一個(gè)上拉電阻提高輸出能力，即可保證模塊正常工作。在連接線長(zhǎng)度短于20米時(shí)建議使用5k上拉電阻，當(dāng)連接線長(zhǎng)度大于20米時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的上拉電阻。溫濕度采集模塊電路如圖3所示。

圖3 溫濕度采集電路原理圖

2.3 光照強(qiáng)度采集模塊

本設(shè)計(jì)采用的光敏電阻是一種利用光電效應(yīng)制作而成的電阻器。該電阻器光譜特性與人眼對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)很接近，對(duì)光線較為敏感。在全黑暗環(huán)境中阻值大于10k。有光照射時(shí)，阻值變化至200歐，用其對(duì)蔬菜大棚環(huán)境中光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)可滿足設(shè)計(jì)需求。

因光敏電阻輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，需通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將其模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)可直接進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用的是PCF8591。在單電源工作下，便可以實(shí)現(xiàn)4路的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換。該芯片與單片機(jī)通信接口為標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，支持一個(gè)總線上掛載多個(gè)芯片。PCF8591主要承擔(dān)模數(shù)轉(zhuǎn)換作用，將光敏電阻與2k電阻串聯(lián)分壓得到的電壓進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電能后的模擬電壓讀取，并傳輸給單片機(jī)，光照強(qiáng)度采集模塊電路如圖4所示。

圖4 光照強(qiáng)度采集電路原理圖

2.4 參數(shù)處理及控制模塊

溫濕度控制電路運(yùn)行由繼電器控制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)繼電器通斷實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉溫濕度控制電路的操作。為保證繼電器導(dǎo)通，采用三極管放大電路增大驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器開、關(guān)。電流通過(guò)電阻后進(jìn)入三極管，對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，之后進(jìn)入繼電器，繼電器進(jìn)行閉合操作，開關(guān)打開，水泵開始工作。設(shè)計(jì)中通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)了對(duì)加熱器、加濕器、除濕器、降溫器這四種大功率電器的控制，最終保證了大棚環(huán)境當(dāng)中對(duì)溫濕度的調(diào)節(jié)與控制。4個(gè)繼電器控制引腳接入單片機(jī)P1.4-P1.7引腳中。

為實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)部光照強(qiáng)度的控制和調(diào)節(jié)，需要基于電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚卷簾進(jìn)行開閉合控制的功能。設(shè)計(jì)選用直流減速電機(jī)作為卷簾控制電機(jī)，該電機(jī)的控制需采用專用正反轉(zhuǎn)控制芯片進(jìn)行。本設(shè)計(jì)采用外電路相對(duì)簡(jiǎn)單的L9110S進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，通過(guò)單片機(jī)的P2.0、P2.1這兩個(gè)引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，參數(shù)處理與控制電路原理圖如圖5所示。

圖5 參數(shù)處理及控制電路原理圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，較之匯編語(yǔ)言C語(yǔ)言不需分配每一RAM單元，結(jié)構(gòu)方面層次分明。采用Keil4 C51軟件進(jìn)行C語(yǔ)言編寫和調(diào)試，該軟件具有豐富的庫(kù)函數(shù)，目標(biāo)代碼生成效率較高。其中uVision模塊是C51系列單片機(jī)在Windows當(dāng)中的集成開發(fā)環(huán)境，可進(jìn)行程序的編寫、編譯、調(diào)試等開發(fā)過(guò)程。利用Keil4 C51進(jìn)行程序編寫時(shí)，需要先建立工程，選擇好保存的路徑。之后選擇對(duì)應(yīng)的單片機(jī)型號(hào)進(jìn)行保存，在工程中新建文件，保存時(shí)其后綴應(yīng)設(shè)置為.c格式。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)采用模塊化方式，將程序分為主程序和多個(gè)子程序。在主程序開始時(shí)對(duì)單片機(jī)以及液晶進(jìn)行初始化，之后設(shè)置參數(shù)的控制范圍，接著開始檢測(cè)溫濕度的值，將檢測(cè)到的溫濕度與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否進(jìn)行溫濕度的控制。之后模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片開始初始化，對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否需要通過(guò)電機(jī)對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后將溫濕度以及光照強(qiáng)度在液晶屏上面顯示，主程序的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 主程序設(shè)計(jì)流程圖

對(duì)主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)按鍵狀態(tài)對(duì)溫濕度的上下限閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)。只要檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的I/O為低電平說(shuō)明對(duì)應(yīng)的按鍵被按下，程序就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的指令。開始一般都會(huì)給I/O口賦一個(gè)高電平，之后開始檢測(cè)按鍵是否為被按下。通過(guò)延遲去抖，再次檢測(cè)按鍵是否為低電平狀態(tài)，如果在低電平狀態(tài)就會(huì)賦加一的值給該變量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵增加的設(shè)置。

3.2 參數(shù)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

利用DHT11傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚環(huán)境當(dāng)中的溫濕度檢測(cè)時(shí)需要編寫該模塊驅(qū)動(dòng)程序。將采集到的溫濕度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)進(jìn)行處理決定輸出控制策略，在單片機(jī)開始讀取DHT11的溫濕度數(shù)據(jù)之前，需要先給一個(gè)持續(xù)18ms以上的低電平，以保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。由于DHT11獲取數(shù)據(jù)的方式也是低電平，因此在主控芯片輸出低電平之后需立即拉高，給20至40ms延遲以穩(wěn)定系統(tǒng)。程序設(shè)計(jì)中采用大約24ms進(jìn)行延遲。在對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行采集的時(shí)候，將光敏電阻與2k電阻串聯(lián)分壓得到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片PCF8591將采集到的電壓進(jìn)行讀取并轉(zhuǎn)換，輸送至單片機(jī)進(jìn)行顯示。

3.3 參數(shù)控制程序設(shè)計(jì)

在大棚溫濕度控制程序設(shè)計(jì)中，首先開始檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫濕度情況。如果此時(shí)的溫濕度在設(shè)置的合理范圍內(nèi)，則不需要對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)。如果溫濕度超出設(shè)置的閾值范圍，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器打開溫濕度控制回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的溫濕度控制操作。直到溫濕度達(dá)到閾值范圍，再關(guān)閉繼電器回路，停止對(duì)農(nóng)作物的溫濕度控制。基于光強(qiáng)檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)生光照強(qiáng)度超出設(shè)定值的情況，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)L9110S實(shí)現(xiàn)對(duì)卷簾電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照強(qiáng)度的適時(shí)調(diào)節(jié)控制。

3.4 軟件仿真及分析

針對(duì)前述硬件電路，為確保軟件程序設(shè)計(jì)合理性，應(yīng)用Proteus軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真分析。Proteus軟件可進(jìn)行原理圖布圖、程序調(diào)試以及外圍電路協(xié)同仿真。仿真搭建的模塊包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫濕度采集模塊、光照強(qiáng)度采集模塊等。

仿真時(shí)，需要先確定好仿真的內(nèi)容以及實(shí)現(xiàn)的效果，本次仿真采用可調(diào)電阻對(duì)光敏電阻進(jìn)行模擬，將檢測(cè)到的模擬量通過(guò)PCF8591芯片進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。將信號(hào)輸入到單片機(jī)的最小系統(tǒng)中，液晶屏上將會(huì)顯示所檢測(cè)到的光照強(qiáng)度。在仿真當(dāng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)用LED進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)仿真電路當(dāng)中的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以看到液晶屏上面的顯示值，在超過(guò)上限閾值或低于下限閾值時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的LED燈均被點(diǎn)亮，由此驗(yàn)證了光照模塊的可行性。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與調(diào)試

4.1 硬件電路制作

軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)硬件電路進(jìn)行了系統(tǒng)整體系統(tǒng)的焊接與調(diào)試。首先檢查線路是否有虛焊，采用萬(wàn)用表完成檢測(cè)。當(dāng)電路沒(méi)有短路、斷路時(shí)，可通電進(jìn)行測(cè)試。通電測(cè)試主要測(cè)量各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電氣特性。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行焊接以及對(duì)各模塊進(jìn)行組裝，得到了系統(tǒng)的硬件電路部分。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試及分析

將所設(shè)計(jì)程序下載到單片機(jī)后就可進(jìn)行硬件調(diào)試。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)正常運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。可知液晶屏第一行顯示出濕度、溫度、光照強(qiáng)度的數(shù)值，第二行則是溫濕度保護(hù)范圍的閾值上限和閾值下限。該系統(tǒng)液晶顯示模塊工作正常。長(zhǎng)按K1按鍵，可對(duì)濕度的上限閾值在20-60%RH之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)調(diào)試按鍵設(shè)置符合程序設(shè)計(jì)要求。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行均正常，可實(shí)現(xiàn)溫度、濕度以及光照強(qiáng)度的檢測(cè)與控制功能，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文采用模塊化設(shè)計(jì)理念分析了蔬菜大棚溫濕度及光照強(qiáng)度等影響因素，設(shè)計(jì)了以STC89C51單片機(jī)為核心的環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)。利用DHT11溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行檢測(cè)并經(jīng)液晶顯示，通過(guò)按鍵電路對(duì)溫濕度上下限閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用繼電器作為系統(tǒng)控制輸出模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度、光照處理設(shè)備的控制。由光敏電阻及PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成的光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊，根據(jù)設(shè)定光照值的高低利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)卷簾開關(guān)的控制。本文對(duì)系統(tǒng)的硬件以及軟件進(jìn)行了分析，利用Keil4軟件對(duì)程序進(jìn)行編輯以及調(diào)試，采用Proteus8.6對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，調(diào)試了檢測(cè)、按鍵及控制等模塊。經(jīng)調(diào)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度及光強(qiáng)的檢測(cè)與控制，當(dāng)所檢測(cè)參數(shù)不在設(shè)置閾值范圍時(shí)系統(tǒng)能做出相應(yīng)動(dòng)作。