溫室大棚花卉智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙尚飛，陳立萬，符譯丹，歐 俊，張 穎（重慶三峽學(xué)院，重慶 404120）

當(dāng)今社會科技發(fā)展飛快，隨著人民生活水平的提高，鮮花成為了節(jié)日表達(dá)情感的首選，也是家庭裝飾與美化的重要元素之一。為了培養(yǎng)不同季節(jié)的鮮花，人們將科技與花卉種植相結(jié)合，通過科技手段創(chuàng)造花卉適宜的生長環(huán)境。在土壤肥沃的前提下，花卉更容易受到外界環(huán)境多種生長要素的影響，比如空氣溫濕度、CO2濃度、光強(qiáng)度、土壤濕度、風(fēng)速等。不同品種的花卉，對環(huán)境的要求也不盡相同。科技手段使溫室大棚培養(yǎng)花卉成為可能，通過監(jiān)控花卉成長條件，培育出不同季節(jié)生長的花卉。通過設(shè)計(jì)集溫度、濕度、CO2濃度、光強(qiáng)度的多種傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控花卉生長環(huán)境指標(biāo)，減少了長時(shí)間人力物力的投入，培育出不同節(jié)日期間所需要的花卉，滿足市場需求。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)溫室大棚花卉智能監(jiān)控系統(tǒng)，要求能根據(jù)土壤濕度、光強(qiáng)度、CO2濃度和空氣溫濕度的條件，自動調(diào)整花卉生長環(huán)境。在種植者忙碌或外出無法及時(shí)看護(hù)時(shí)，可通過手機(jī)終端查看溫室溫室大棚花卉的生長環(huán)境，必要時(shí)可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程終端調(diào)整花卉環(huán)境條件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)有以下3點(diǎn)：

（1）傳感器能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地檢測采集環(huán)境溫濕度、CO2濃度、光強(qiáng)度、土壤濕度等信息，將采集的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)控制中心。

（2）根據(jù)花卉培養(yǎng)手冊，設(shè)定空氣溫濕度、CO2濃度、光強(qiáng)度、土壤濕度上下極限值。通過單片機(jī)控制中心自動控制環(huán)控設(shè)備運(yùn)作，調(diào)控花卉生長環(huán)境。

（3）終端遠(yuǎn)程監(jiān)控，單片機(jī)控制中心將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳送到手機(jī)終端，用戶通過手機(jī)終端查看溫室大棚花卉的生長環(huán)境。

土壤濕度、CO2濃度、光強(qiáng)度和空氣溫濕度是影響花卉生長環(huán)境的必要因素，筆者對于以上生長要素開展模塊化設(shè)計(jì)。花卉監(jiān)控系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、傳感器采集模塊、負(fù)載控制模塊、WIFI模塊、網(wǎng)絡(luò)云平臺和遠(yuǎn)程終端構(gòu)成。溫室大棚花卉系統(tǒng)模塊化框圖如圖1所示。

圖1 溫室大棚花卉系統(tǒng)模塊化框圖

系統(tǒng)供電后，單片機(jī)、溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、土壤濕度傳感器開始工作，環(huán)控設(shè)備未開始運(yùn)作，單片機(jī)不斷獲取各傳感器采集的信息。隨著環(huán)境條件的改變，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定的閾值范圍時(shí)，環(huán)控電路開始運(yùn)作，單片機(jī)通過WIFI模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給手機(jī)APP或者PC終端，方便工作人員監(jiān)控花卉生長情況、及時(shí)處理模塊故障。

硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，采用靈活的8位CPU和系統(tǒng)可編程的FLASH微控制器STC89C52芯片。該芯片具有8K字節(jié)可編程可擦除只讀寄存器、數(shù)據(jù)存儲器、串口通信、串口外設(shè)接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換、脈沖寬度調(diào)制等模塊，芯片性能高、功耗小。溫度傳感器模塊采用DHT11傳感器，DHT11傳感器具有可靠性高和穩(wěn)定性長等優(yōu)點(diǎn)。該元器件精度滿足花卉生長條件范圍，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用該傳感器測量環(huán)境溫濕度，采用串行數(shù)據(jù)的傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

光照傳感器模塊采用GY-30光強(qiáng)度傳感器模塊，對于太陽光，白熾燈等光源進(jìn)行檢測，通用光照檢測模塊，內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器，可以直接數(shù)字信號量輸出，精度可選。GY-30光強(qiáng)度傳感器能準(zhǔn)確便捷地采集環(huán)境光強(qiáng)度，內(nèi)置電平轉(zhuǎn)換，即可得到光照數(shù)據(jù)。該模塊支持低電壓供電，可與5V單片機(jī)IO口直接連接。

CO2傳感器模塊采用紅外CO2傳感器，該器件抗振性能好，結(jié)構(gòu)簡單。通過分析波長的紅外光強(qiáng)度以此得到CO2氣體的濃度。

土壤濕度傳感器模塊采用電阻式土壤濕度傳感器FC-28，通過測量土壤濕度的傳感器所分的電壓，計(jì)算土壤的電阻值，土壤濕度大小與電阻阻值成正相關(guān)[2]。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832將傳感器所分的電壓值換算成數(shù)字量，該芯片與單片機(jī)相連即可得到土壤濕度值。

WIFI模塊系統(tǒng)采用ESP8266無線通信模塊為媒介便于單片機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)云平臺，該器件工作范圍大、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低且具有自組網(wǎng)功能。通過通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)云平臺的聯(lián)通。

軟件系統(tǒng)

單片機(jī)控制流程

在keil5軟件平臺上用C語言編寫程序代碼實(shí)現(xiàn)各模塊功能，模塊化設(shè)計(jì)，程序編譯開發(fā)簡單，易于修改。程序設(shè)定環(huán)境參數(shù)范圍，完成溫室大棚花卉環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)采集，對超出閾值設(shè)定的環(huán)境變量調(diào)整，控制繼電器環(huán)控設(shè)備運(yùn)行。

單片機(jī)供電后，系統(tǒng)串口初始化，光照傳感器采集光源強(qiáng)度，光源不足時(shí)，打開光源補(bǔ)光，滿足光照條件時(shí)，關(guān)閉光源；CO2傳感器測量空氣CO2濃度，高于上限值時(shí)，通過風(fēng)扇通風(fēng)降低CO2濃度，低于下限值時(shí)，CO2發(fā)生器自動打開，及時(shí)補(bǔ)充室內(nèi)CO2濃度；溫濕度傳感器采集空氣溫濕度，高于上限值時(shí)，風(fēng)扇通風(fēng)降溫，低于下限值時(shí)，電加熱器加熱升溫；土壤濕度傳感器測量土壤濕度，高于上限值時(shí)，風(fēng)扇通風(fēng)除濕，低于下限值時(shí)，灑水加濕；隨后程序無限循獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制流程如圖2所示。

圖2 單片機(jī)控制流程圖

主函數(shù)程序

編寫主程序，設(shè)置WIFI模塊工作模式，設(shè)置為路由器模式，單片機(jī)串口初始化，將負(fù)載設(shè)備電路置于空閑狀態(tài)，進(jìn)入程序循環(huán)，執(zhí)行溫度程序控制模塊，當(dāng)溫濕度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)不滿足溫度上下限值時(shí)，調(diào)用溫度上下限比較控制函數(shù)，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)維持在上下范圍內(nèi)；執(zhí)行光強(qiáng)度程序控制模塊，當(dāng)光傳感器測量數(shù)據(jù)不滿足光照條件時(shí)，調(diào)用光源比較控制函數(shù)，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)滿足光照條件；執(zhí)行土壤濕度程序監(jiān)測模塊，當(dāng)土壤濕度傳感器測得數(shù)據(jù)不滿足濕度上下限值時(shí)，調(diào)用濕度上下限比較控制函數(shù)，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)維持在上下限范圍內(nèi)；執(zhí)行CO2濃度程序監(jiān)測模塊，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)維持在上下限范圍內(nèi)；執(zhí)行WIFI程序模塊，調(diào)用通信函數(shù)傳輸各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，或接受手機(jī)APP指令調(diào)用傳感器模塊函數(shù)，執(zhí)行完一次循環(huán)，隨后進(jìn)入無限循環(huán)。條件滿足時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行指定程序段，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；條件不滿足時(shí)，循環(huán)等待。主函數(shù)代碼如圖3所示。

圖3 主函數(shù)代碼

手機(jī)APP開發(fā)

手機(jī)APP程序設(shè)計(jì)采用E4A開發(fā)平臺中文語言編寫。其主要功能是監(jiān)測溫室大棚花卉環(huán)境數(shù)據(jù)及負(fù)載運(yùn)行情況。溫室大棚花卉智能監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖4所示。其主頁面設(shè)有“溫度”“土壤濕度”“CO2濃度”“光強(qiáng)度”等環(huán)境數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)設(shè)有“刷新”功能，一鍵獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)設(shè)置和負(fù)載運(yùn)作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。用戶通過手機(jī)APP監(jiān)控溫室大棚花卉的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，手機(jī)端通過網(wǎng)絡(luò)云平臺接受單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，并顯示在手機(jī)APP上。

圖4 溫室大棚花卉智能監(jiān)控系統(tǒng)

功能分析

手機(jī)APP監(jiān)控

溫室大棚花卉智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過網(wǎng)絡(luò)云平臺、手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)花卉的環(huán)境監(jiān)控。單片機(jī)通過通信模塊與手機(jī)APP進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)查看溫室大棚花卉溫度、CO2濃度、光強(qiáng)度、土壤濕度等數(shù)據(jù)，必要時(shí)接受手機(jī)APP發(fā)出的動作指令，可控制繼電器負(fù)載運(yùn)作。在不同條件下，進(jìn)行測試，對比數(shù)據(jù)組分析，系統(tǒng)監(jiān)測精度高、控制效果好。手機(jī)APP監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面如圖5所示。打開手機(jī)APP，點(diǎn)擊刷新按鈕，獲取溫室大棚最新環(huán)境數(shù)據(jù)，通過觀測數(shù)據(jù)查看環(huán)境情況。必要時(shí)，打開手動開關(guān)，對需要改善的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

圖5 手機(jī)APP監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面

負(fù)載控制

通過測試?yán)^電器電路開合和釋放，自動控制負(fù)載運(yùn)作，以溫濕度調(diào)整繼電器自動控制為例，夏季花卉開花適宜溫度范圍一般為10～25℃，根據(jù)不同花卉生長環(huán)境溫度程序設(shè)定溫濕度的上限值與下限值，隨著日出，溫度上升至30℃時(shí)，溫室大棚需要通風(fēng)降溫。溫度調(diào)節(jié)顯示如圖6所示。

圖6 溫度調(diào)節(jié)顯示

若空氣溫濕度超過設(shè)定上限值，則自動打開風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降溫。若空氣溫濕度低于設(shè)定下限值，則自動打開電加熱器升溫。依照程序設(shè)定，在DHT11傳感器處吹熱風(fēng)，使溫度高于設(shè)定上限值，則風(fēng)扇自動打開，指示燈顯示黃燈表示風(fēng)扇正常運(yùn)作。

總結(jié)

溫室大棚花卉監(jiān)控系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為平臺，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，滿足種植者實(shí)際使用需求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉，故障少，維護(hù)方便，操作簡單。同時(shí)對設(shè)施花卉生長關(guān)鍵指標(biāo)（溫濕度、CO2濃度、光強(qiáng)度、土壤濕度）進(jìn)行監(jiān)測與收集，通過手機(jī)終端進(jìn)行智能控制。該系統(tǒng)有效解決了溫室大棚花卉無人值守時(shí)花卉養(yǎng)護(hù)問題，能夠保證適宜的花卉生長環(huán)境，使得花卉種植更智能，滿足花卉種植戶需求。