有機農產品大棚環境監測系統的設計與研究

彭琛 梁宇

摘要：隨著大棚技術的普及，圍繞著有機農產品大棚溫濕度控制的研究不斷展開。在溫室大棚數量增多的同時還需要進一步的保證有機農產品產量和質量，本文設計的是有機農產品大棚溫濕度監控裝置設計，利用單片機為主控器的有機農產品大棚溫濕度的監控系統，自動監控農產品大棚內的溫度、濕度和光照強度，用按鍵設置和修改溫度、濕度及光照強度范圍值，實時監測有機農產品大棚內空氣溫度，土壤濕度傳感器監測有機農產品大棚內土壤濕度，光照檢測電路監測光照強度，液晶顯示屏顯示監測的實時數據以及調節設備模擬調節模塊完成設計。

關鍵詞：有機大棚;溫濕度監控;光照強度;單片機

中圖分類號：TP311 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0026-03

Design and Research of Environmental Monitoring System for Greenhouse of Organic Agricultural Products

PENG Chen， LIANG Yu

（College of Computer and Electrical Engineering， Hunan University of Arts and Sciences， Changde 415000， China）

Abstract： With the popularization of greenhouse technology， the research on temperature and humidity control of organic agricultural products greenhouse has been carried out. With the increase of the number of greenhouses， it is necessary to further ensure the yield and quality of organic agricultural products. The design of this paper is the design of the temperature and humidity monitoring device for organic agricultural products greenhouses. The temperature and humidity monitoring system for organic agricultural products greenhouses， which uses single-chip microcomputer as the main controller， automatically monitors the temperature， humidity and light intensity in the agricultural products greenhouses， and uses the key to set and modify the temperature， humidity and light intensity Humidity and light intensity range value， real-time monitoring of air temperature in organic agricultural products greenhouse， soil humidity sensor monitoring of soil humidity in organic agricultural products greenhouse， light detection circuit monitoring of light intensity， LCD display of real-time monitoring data and adjustment equipment analog adjustment module completed the design.

Key words： Organic greenhouse; temperature and humidity monitoring; light intensity; MCU

1 引言

傳統的棚內懸掛溫度計，耗時費力、監控精度低、成本大、易造成損失，很難達到有機農產品質量優、效率高、產量多的目標，所以需要設計性價比高、自動化程度高、監控精度高的有機農產品大棚溫濕度監控裝置應用于農業種植生產需要。課題所研究的主要意義是為了實現有機農產品大棚內作物達到質量優、效率和產量都高的栽培目的，設計一套功能完善、精度高、體積小等特點的溫、濕度監控裝置，自動地調節有機農產品大棚溫濕度。

從大棚技術與智能農田的發展情況來看，西方的發達國家有機農產品大棚和農業田地的科學化、智能化技術要比中國研究發展得起步比中國要更早一些。最開始與農產品大棚相關的是人工氣候室，由美國建筑而成，研究影響植物生長的相關方面，例如：大棚種植作物自然環境下的抗寒耐熱的能力和適應狀態，進行了實際操作研究的同時推動農業的進一步發展。另外多個國家，如英國、荷蘭、以色列等，在有機農業農產品大棚的智能化技術方面也發展相當快速，以幾十年的發展來看，農業設施方面最重要的特征就是科學化、多智能，大棚技術的科學化、智能化的也在不斷發展與進步，不斷的提高大棚自動程度和監測控制精確度。

70年代，我國也開始展開對多個農業項目的研究，例如：節能日光農田和多功能農田等等，也是我國發展農業項目的研究的開始，也緩解了農產品的在中國人口大國供應量不足的狀態。1980年～1994年這段時間，我國的農業在整體上都有了很大的發展。20世紀90年代初期到90年代末的期間，農產品大棚環境監測系統技術的不斷更替進步，對農產品大棚環境控制不但更加精準，而且還能控制多個環境因素，更是能實時監控，從溫室控制與管理系統實現對溫度的控制管理，到溫室硬件控制系統實現對溫度、光照、CO2等多個環境因素進行控制，實現了對農產品大棚內溫度和濕度實時監測與控制，達到了一個更好的環境控制效果。

2有機農產品大棚溫濕度監控裝置硬件設計

2.1設計方案

以單片機STC89C52為核心的控制器，鍵盤設置溫、濕度和光照強度的范圍值，按下開始檢測按鍵啟動，光敏電阻檢測光照強度、DS18B20溫度傳感器檢測溫度值、土壤濕度傳感器檢測土壤的濕度，土壤濕度傳感器和光敏電阻收集到的數據需要經過AD轉換才能在LCD1602顯示為數量值，采用PCF8591進行AD轉化，LCD1602液晶顯示屏顯示實時采集的三者數據，同時與預先設置的數據值進行對比，當實時環境的溫、濕度和光照強度超范圍時，報警模塊蜂鳴器報警并相應警示燈亮，同時調節設備進行補光、升溫、降溫、加濕、除濕操作，以保證大棚的溫濕度范圍在設置的上下限參數內。

列出此次設計要達到的指標：

（1） 適應環境：有機農產品大棚。

（2） 溫度測量誤差：±0.5%;測溫范圍：-55℃～+125℃。

（3） 濕度測量誤差：±5%RH;測濕范圍：0～100%RH。

（4） 測光照強度誤差：±5%;測光照強度范圍：5～10KLX。

（5） 使用LCD1602液晶顯示屏，能顯示實時監測到的溫度、濕度和光照強度數據。

（6） 能通過按鍵修改預先設定的范圍值。

（7） 能聲光報警。

2.2硬件電路設計

有機農產品大棚溫濕度監控裝置設計系統主要由STC89C52單片機、按鍵、LCD1602液晶顯示、溫度傳感器、光照檢測、土壤濕度傳感器A/D采樣PCF8591、調節設備組成。按鍵不僅起到了設置或修改所需范圍值的作用，還可以使人與設備很好的交互，按鍵功能說明：第一個鍵（SW2）：確定;第二個鍵（SW3）：加一;第三個鍵（SW4）：減一;第四個鍵（SW5）：開始檢測。由溫度傳感器監測空氣溫度、光照電路監測光照強度，土壤濕度傳感器監測土壤的濕度，土壤濕度的大小就是土壤中水分含量的多少，使用電位器去調節土壤濕度控制閥值，可以自動農產品大棚內土壤濕度進行監控。在LCD1602液晶顯示屏上顯示出實時監測到的數據，單片機STC89C52收集到數據并作對比，超閾值作出對應的調節動作，電路原理圖如圖2所示。

3 系統軟件設計

首先預設出農產品適宜溫度、濕度和光照強度的范圍值，當監測這三者的實測值不在所設定的范圍內，單片機STC89C52控制系統就會啟動調節設備。本次設計的有機農產品大棚溫濕度監控裝置設計系統是由一個主系統調用多個子系統。主程序首先初始化整個系統，系統將收集到的溫度、濕度、光照強度數據與預先設置值進行對比后，做出相應的警示和調節動作并在LCD顯示實時監測到的數據。主程序流程圖如圖3所示：

4 系統調試仿真

要使有機農產品大棚內作物在良好的生長環境中茁壯成長，就需要調節有機農產品大棚內環境保持良好的狀態，才能有效控制影響著光合作用的CO2濃度和避免白晝溫度存在差異造成到的損害和濕度過高致蟲害，達到增產增量的效果。有機大棚農產品類型不同，所適宜生長環境所需的溫度、濕度及光照強度也會有所差異的，可以依據不同農產品的習性需要設置所需的數據。本文設置模擬的溫度范圍是20℃～30℃，濕度范圍在35%RH～75%RH，光照強度范圍在90lux～500lux。在開始檢測時，頁面處于初始化狀態，如圖4所示，再通過按鍵設置好溫度、濕度和光照強度的范圍值。

當溫度低于范圍值時，蜂鳴器開始報警發出聲響，同時空氣溫度警示燈亮，補溫燈設備就開始補溫，如圖5所示;當溫度高于范圍值時，蜂鳴器開始報警發出聲響，同時空氣溫度警示燈亮，調節設備風扇轉動降溫，如圖6所示。

當濕度低于設置范圍值時，蜂鳴器開始報警發出聲響，同時土壤濕度警示燈亮，調節設備水泵開始工作加濕，如圖7所示：當濕度比設置范圍值高時，蜂鳴器開始報警發出響聲，同時土壤濕度的警示燈亮，調節設備風扇轉動進行除濕動作，如圖8所示。

當光照強度低于設置范圍值時，蜂鳴器開始報警發出聲響，同時光照強度警示燈亮，調節設備補光燈設備進行補光動作，如圖9所示。

5 總結

本文主要分析了有機農產品大棚溫濕度裝置的工作過程，設計了該課題的系統方案，全文設計包括方案、硬件和軟件的設計，及模擬仿真。用單片機對有機農產品大棚溫濕度監控裝置控制，用C語言編程實現，實現了多個方面的控制要求，實現了對溫度、土壤濕度和光照強度的監控，并利用LCD1602實時顯示監測到的數據值，能讓人們直接看到大棚農產品內的具體情況，經過調試與最終仿真的結果也證實了此系統設計方案是能行得通的，本次設計通過對空氣溫度、土壤濕度和光照強度的監控去控制影響農產品光合作用CO2的濃度，并沒有使用專門監控的CO2的濃度的傳感器，對CO2濃度的控制沒有達到較高的準確性，在以后的有機農產品大棚監控裝置設計的時候，會進一步的完善各個方面的功能。

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【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2021-05-21

基金項目：湖南省教育廳優青項目（湘教通〔2020〕264號-20B398）;常德市社會科學成果評審委員會課題（常社評[2021]6號-CSP21YC84）;湖南文理學院芙蓉學院2019年度大學生創新創業項目：基于互聯網+的智慧農村生態環境監測系統設計

通訊作者：彭琛（1982—），女，湖南澧縣人，湖南文理學院，講師，碩士，研究方向為物聯網技術及智慧農業。