基于單片機的農業溫室控制設計

王海旭

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628000）

0 引言

隨著國家西部大開發以及鄉村振興戰略的提出，農業作為立國之本、強國之基，農業怎么提高智能化管理水平也逐漸成為重要的要素之一。在農業方面，大棚環境監測等研究正適應這樣的要求，此類研究主要集中在實現低功耗的無線信息收集與展示[1]。而在信號收集之外，對能否自動調節大棚內的一些參數也有了更高的要求。在農業大棚的智能化管理領域，隨著現代農作物對光照、溫度、濕度的要求日益提高，特別是一些重要的經濟作物對以上要素又有著較高要求，其形成的規模效益也日益明顯。傳統的大棚已經不能適應對農作物生長要素的精確控制，因此，筆者提出了基于單片機控制的農業溫室自動調節系統。

在大棚用于農業的發展過程中，一開始只是單純地將農作物直接栽種到大棚中，實現對農作物的保溫和保持水分的作用，但這種傳統模式存在一些問題。比如，傳統大棚雖然能夠保溫，但是對于一些對溫度要求較為嚴格的作物往往出現溫度過高或過低的情況，難以使農作物在最佳環境下生長。再比如，傳統大棚雖然能夠保持一定的水分，但是對于一些對土壤濕度要求較為嚴格的作物往往出現濕度過高或過低的情況，同樣難以使農作物在最佳環境下生長。考慮到單片機相比于PLC成本較低，以及單片機的其他一些優點，將通過單片機編程的簡易性、對環境較強的可適性和方便的環境搭建作為設計基礎。考慮到傳統的溫室大棚難以較為準確控制溫濕度和光照強度，提出以單片機為基礎，以傳感器檢測溫度、濕度、光照強度，進而控制風機大小、控制澆灌閥門啟閉、控制遮陽棚大小，達到有效且較為精確地調節溫度、濕度、光照強度的目的，以實現農業智能化，給作物提供更好的生長環境。

1 基于單片機的溫室設計方案

目前，基于單片機在溫室大棚中的應用，可以通過物聯網技術進行農業大棚的環境監測等[2]。而要實現自動控制，單片機作為控制單元必不可少。單片機可以實現上述的控制設想，將51單片機作為控制系統的主控單元，傳感器在接收到溫度、濕度、光照強度等模擬量信號后，通過信號線傳遞給數據采集卡，該采集卡支持至少四路的模擬量輸入。通過A/D轉換接口，該采集卡可以實現模擬量信號的輸入、數字量信號的輸出，得到的數字量信號將作為上位機LabVIEW的輸入信號，并在進行處理后輸出到單片機作為控制信號。對于傳感器采集到的信號輸入到采集卡，包括溫度、濕度、光照強度在內的三組模擬量滿足采集卡接口要求。采集卡將模擬量轉換為數字量之后，通過數字量輸出模塊將信號傳遞給單片機處理，從而輸出到伺服驅動器，完成對伺服電機的驅動，進而控制風機風量大小，最終達到調節溫度的目的。以風機為例，基于單片機的溫室控制系統圖，如圖1所示。

圖1 基于單片機的溫室控制系統圖

2 傳感器檢測與控制

傳感器屬于檢測環節的基本單元，如果說51單片機相當于人類的中樞大腦，那傳感器就像人類的眼睛、耳朵、鼻子等感覺器官。主要通過傳感器對模擬量的檢測，然后通過A/D轉換接口將模擬量轉換為數字量，檢測的模擬量包含溫度、濕度、光照強度。1）通過溫度傳感器對空氣的溫度進行檢測，如果檢測值溫度高于設定值，則單片機控制器啟動風機對溫室進行通風換氣使之降溫；反之，如果檢測到的溫度低于設定值，則單片機控制器關閉風機使溫室在光照條件下逐漸升溫。2）通過濕度傳感器對土壤的濕度進行檢測，如果檢測到的濕度高于設定值，則單片機控制器關閉控制澆灌的電磁閥門，使土壤濕度在一定條件下逐漸減小；反之，如果檢測到的濕度低于設定值，則單片機控制器開啟控制澆灌的電磁閥門，使水流進入土壤，使土壤濕度逐漸達到設定值。3）通過光敏傳感器對溫室的光照強度進行檢測，如果檢測到的光照強度高于設定值，則單片機控制器打開遮陽棚使溫室內的光照強度減弱；反之，如果檢測到的光照強度低于設定值，則單片機控制器關閉遮陽棚使溫室內的光照強度升高[3]。

以土壤濕度控制為例闡明該系統原理，溫度與光照控制與此類似不再贅述。因為土壤濕度的變化，會使電子式濕度傳感器從土壤中吸水而引起本身電容值、電阻值的變化，通過這種變化達到測量的目的，故可用一個濕度傳感器來檢測并確定土壤濕度。然后，把濕度傳感器檢測到的電信號傳輸到單片機，在單片機中對設定的濕度值和檢測到的值進行比較得到偏差，將偏差結果輸出，對變頻器進行調節，使其根據濕度大小輸出不同的控制信號。最后，通過該控制電信號對電控的電磁閥進行通斷電設置，此電磁閥可采用三位電磁閥，即全開、全閉、半開三種狀態，從而調節了灌溉水管的閥門開度，達到調節進水量的目的。

3 程序流程設計

系統開始運行后，首先傳感器開始通電工作，對溫度、濕度、光照強度進行檢測，然后將傳感器檢測到的值傳入單片機，在單片機中進行判定，判定結果有以下兩種情況：

1）當前值和設定值一樣時，程序直接返回到初始位置進一步檢測；

2）當前值和設定值不一樣時，系統對檢測到的值進行運算，將運算后的結果即偏差轉換成模擬量輸入的電信號，調節被控對象如風機，改變被控量如風機的風量大小。同時，實時檢測溫度值，直到檢測值和設定值一樣。

系統根據情況進行被控量的調節，控制模擬量如溫度、濕度、光照強度等的大小，直到被控量恢復到設定值。如圖2所示，為溫度控制的系統程序流程圖，濕度與光照控制與此類似。1）系統開始正常運行以后，溫度傳感器開始實時檢測當前溫度值，當測得的溫度值符合設定值時，單片機控制器判斷不需要執行后續操作，則跳轉到程序的開始位置，繼續檢測溫度；當檢測到的溫度值不符合設定值時，系統對檢測到的值進行運算，將運算后的結果即偏差轉換成模擬量輸入的電信號，調節被控對象如風機，系統將啟動風機，開始進行通風進而改變被控量如風機的風量大小，實現對溫度的調節；同時，實時檢測溫度值，直到檢測值和設定值一樣后進一步檢測溫度，判斷溫度是否符合設定值，進行循環判斷。2）進行濕度判斷時，系統開始正常運行后，濕度傳感器開始實時檢測濕度，當測得的濕度符合設定值時，單片機控制器判斷不需要執行后續操作，則跳轉到程序的開始位置，繼續檢測濕度；當檢測的濕度值不符合設定值時，系統將啟動變頻器閥門，開始進行灌溉澆水進而對濕度進行調節；最后，通過該控制電信號對電控的電磁閥進行通斷電設置，從而調節了灌溉水管的閥門開度，達到調節進水量的目的；調節后進一步檢測土壤濕度，判斷濕度是否符合設定值，進行循環判斷。3）進行光照強度判斷時，系統開始正常運行后，光敏傳感器開始實時檢測光照強度，當測得的光照強度符合設定值時，單片機控制器判斷不需要執行后續操作，則跳轉到程序的開始位置，繼續檢測光照強度；當檢測的光照強度不符合設定值時，系統將啟動遮光棚，開始調節遮光棚的開閉進而對光照強度進行調節；調節后進一步檢測光照強度，判斷光照強度是否符合設定值，進行循環判斷[4]。

圖2 溫度控制系統程序流程圖

4 上位機軟件設計

LabVIEW作為美國國家儀器公司開發的圖形化編程語言，多采用圖形的形式替代了文本語言進行圖形化的編程。其中VI的含義即虛擬儀器工程，也就是通過電腦上的各種圖形去代表實驗室中各類硬件的程序模塊。該語言有編程的可視化、圖形化、模塊調用的方便性等優點。比如，同樣的模塊功能，用C語言可能要幾十甚至上百行代碼，但是通過LabVIEW的編程往往只需要直接調用模塊的內容即可，省去了復雜的語言編程環節。該語言誕生的背景就是給測試工程師們使用的開發語言，旨在幫助科學家和工程師解決問題，提高生產力和創新力。本研究選用LabVIEW作為上位機軟件主要也是運用其便利的圖形化編程方式和簡便直觀的前后面板的顯示，將大大有利于和51單片機進行軟硬件的結合。

該控制系統為了方便監測溫濕度、光照強度等數據，有必要進行上位機的搭建，實現實時監控或調節控制參數的目的。控制系統通過采集卡采集來自傳感器的模擬量信號后，該采集卡也保持與上位機PC的連接，該PC軟件通過LabVIEW進行設計，主要功能包含前面板的數據監測，以及后面板的信號濾波、放大、卷積等。經過LabVIEW設計的圖形化語言運算后，通過PC連接51單片機的串口通信模塊的方式，把運算結果傳遞給單片機[5]。

該過程的重點為：除了編輯基本的信號處理程序外，還需要在LabVIEW進行調試，進行接口函數設置，從而使PC和51單片機實現通信。實際上，得益于LabVIEW函數庫的強大，在實現虛擬儀器對單片機的連接過程中，LabVIEW本身所帶有的函數庫就足以實現與單片機的通信。由于傳感器會實時采集信號并通過采集卡傳遞給上位機，只要注意庫函數連接時不用靜態連接，選擇通過虛擬儀器本身提供的動態函數庫連接進行上位機與單片機的通信[6]。信號檢測與處理工作原理圖如圖3所示。

圖3 信號檢測與處理工作原理圖

5 結論

溫室大棚的智能化控制設計，積極響應了國家的鄉村振興戰略，有利于提高糧食安全，特別是中西部地區的開發。現如今，大棚的智能化程度有待提高，同時控制溫度、濕度、光照強度的智能溫室更是少見。而相比于PLC的大棚控制系統，單片機有著成本低、調試方便、可移植性強等優點。該研究為了使農作物在更適宜的條件下生長，更適應國家對于鄉村振興的要求，以51單片機作為控制系統主控單元，傳感器在接收溫度、濕度、光照強度等模擬量信號后，將模擬量的信號通過信號線傳遞給數據采集卡，數據采集卡將模擬量轉換為數字量之后，通過數字量輸出模塊將信號傳遞上位機軟件進行處理，信號經過上位機處理運算后傳輸給單片機作為控制信號。當前值和設定值一樣時，程序直接返回到初始位置進一步檢測；當前值和設定值不一樣時，系統對檢測到的值進行運算，將運算后的結果即偏差轉換成模擬量輸入的電信號，調節被控對象，改變被控量大小；同時繼續實時檢測當前值，直到檢測值和設定值一樣。進而輸出到伺服驅動器，完成對伺服電機的驅動，完成控制風機風量、灌溉裝置、遮光棚等，最終達到調節被控量的目的。該系統設計可操作性強，可適應性強，可以較好地適應西部山區的復雜農業生產環境。