基于單片機的大棚多參數采集控制系統

初光勇，孟 輝

（銅仁職業技術學院，貴州 銅仁 554300）

0 引 言

食品行業在現代輕工業中占有重要地位，也影響著國民經濟的發展與人們的日常生活[1-2]。隨著科學技術的發展，食品工業、現代農業與科技行業的有機結合，促進了食品行業及農業的發展。由于光照強度、空氣溫濕度、土壤水分等參數影響著植物的新陳代謝[3-4]，也影響著農作物的品質和產量，而目前大多數大棚還是以傳統的人工干預方式操控，根據經驗判斷是否進行灌溉、施肥、遮光等，因此設計一套多參數采集控制系統尤為必要。利用單片機、傳感器等采集大棚數據，自動管控，滿足大棚農作物在不同生長階段的需要。

1 控制系統設計

1.1 軟件設計

該控制系統由數據采集模塊、數據處理分析模塊、系統控制面板等組成。

數據采集模塊實時采集大棚內的光照、空氣溫濕度、土壤濕度等參數。

數據處理分析模塊將采集的信號經算法處理后通過單片機對卷簾、水肥一體灌溉電機進行控制。

系統控制面板利用LabVIEW平臺設計[4-6]，系統前面板包括常用控制和信號顯示界面，方便系統設置和光照、溫濕度數值的顯示，同時還能顯示植物生長情況，滿足系統要求。

系統框架如圖1所示，上位機平臺界面如圖2所示。

圖1 系統框架

1.2 控制系統算法

Penman-Monteith方程是1965年提出的基于能量平衡和水汽擴散理論的作物騰發量計算公式[7]，能夠反映植物的蒸騰作用。考慮到溫室大棚無風速的影響，溫室Penman-Monteith修正公式[8]見式（1）：

式中：ET0為植物的蒸發蒸騰量；Δ為飽和水氣壓與溫度關系斜率；T為平均氣溫；Rn為農作物受太陽凈輻射量；G為土壤通熱量；V(λ)為光譜可見度系數函數[9]。計算es、ea、Δ的值：

式中：U為溫室空氣的相對濕度；γ為干濕常數。灌溉量決定灌溉時間，利用實際測量大棚的溫濕度等參數得到單次灌溉的時間為：

式中：t為單次灌溉時間；kc為作物系數，按照快速生長期取kc=1；S1，S2為滴灌間距；Q為流量。

1.3 硬件介紹

組成系統的硬件主要有單片機控制器、執行電機和傳感器。由于對系統要求不高，因此采用低成本的STC12C5A60S2單片機[10]作為核心控制器，其擁有56 KB程序存儲，1 280字節RAM，2路PWM輸出。土壤濕度傳感器中濕度比較器采用LM393芯片，具有靈敏度可調、模擬電壓輸出功能。光照傳感器芯片型號為BH1750FVI，這是一款用于I2C總線接口[11]的數字光傳感器芯片，檢測范圍為1～65 535 Lux，可實現對廣泛寬度下進行1 Lux的高精度檢測[12-15]。空氣溫濕度傳感器型號為DHT11，供電電壓為3～5.5 V，溫度范圍為0～50 ℃，濕度范圍為20%RH ～90%RH。步進驅動器型號為W250，輸入電壓為DC 60 V，最大驅動電流為5 A，最小步距角為1.8°，細分1/2、1/8可選，分400步和1 600步，精度高，利用開關電源供電，通過控制步進電機實現精確控制。步進電機[16]型號為57BYG250，通過聯軸器鏈接絲杠進行動力傳輸，限位開關采用歐姆龍E3Z系列光電開關，性能穩定，可靠性高，響應速度快。單片機控制引腳連接見表1所列。

表1 單片機控制引腳連接

2 系統工作流程

控制流程如圖3所示。系統進行空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度等數據的采集，將傳感器采集的數據傳送至單片機進行處理，并將信息實時顯示在LCD1602模塊[17]上，同時將數據實時發送至上位機LabVIEW平臺進行實時監控，從而控制滴灌裝置和卷簾裝置。

圖3 控制流程

3 實驗結果分析

3.1 實驗設計

為驗證該系統的準確性和精確性，通過搭建微型實驗大棚環境進行模擬實驗，通過改變光照強度、土壤濕度、空氣濕度等參數進行穩定性測試實驗。采用81345PP滴灌水管進行滴灌，滴灌速度可調。溫度測量數據對比見表2所列，濕度測量數據對比見表3所列。

表2 溫度測量數據對比

表3 濕度測量數據對比

3.2 實驗結果

從表2和表3的數據可以看出，最大相對誤差為2.68%，系統相對誤差在±5%以內，證實了該系統具有較好的穩定性和可靠性。選擇草莓大棚[18]進行實驗，在同一個溫室中選擇一塊4 m×4 m區域進行實驗，實驗數據見表4所列。根據表4的數據進行分析，蒸騰量在當天12:00—14:00之間達到峰值，這與中午的光照強度、濕度等升高有關，符合植物生長實際。

表4 采集的數據與滴灌時間

4 結 語

結合實驗數據和實驗過程進行分析，發現該系統完全滿足大棚的生產要求，能夠對植物生產過程的參數進行有效采集和分析，精確控制卷簾電機和灌溉直流電機，保證了大棚作物生長的需要，滿足了現代高效特色農業的要求。