多信息融合的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計

胡保玲，解思博，周昊強，馬 俊，盧厚義，吳慶洋

（1.巢湖學(xué)院 計算機與人工智能學(xué)院，安徽 巢湖 238024；2.巢湖學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238024；3.巢湖學(xué)院 工商管理學(xué)院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

為了提升溫室環(huán)境的生產(chǎn)效率并確保科學(xué)管理，自動化設(shè)備在調(diào)控溫室內(nèi)部的溫度和濕度方面發(fā)揮了重要作用，為農(nóng)作物創(chuàng)造更好的生長條件，并帶來更高的經(jīng)濟回報。因此，設(shè)計出精準(zhǔn)有效的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)具有重要的意義。國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量的研究，并取得了豐碩的成果。陳子光等[1]設(shè)計了一種溫濕度數(shù)據(jù)的檢測存儲管理系統(tǒng)，通過用工業(yè)級無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，從而有效地實現(xiàn)了溫度的精確檢測控制。范明民[2]以STM32 芯片為核心處理器，并利用溫濕度傳感器DHT11 來采集環(huán)境溫濕度信息，設(shè)計了一種溫度與濕度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機房溫濕度的檢測與記錄。張儷亭等[3]在分析了溫室大棚控制需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于AT89C52 的溫室大棚溫度濕度自動控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。張葉茂等[4]設(shè)計了一套智能溫室控制系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境的參數(shù)采集、信號傳輸和智能控制。李旺昆[5]設(shè)計了一種基于PLC 控制的農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度自動控制系統(tǒng)，確保環(huán)境各項參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定預(yù)定值。王賓[6]設(shè)計了一種基于單片機和AM2301B 溫濕度傳感器的溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了環(huán)境的實際溫、濕度自動調(diào)節(jié)。張云帆等[7]設(shè)計了一種溫濕度智能控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r地監(jiān)測采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)反饋數(shù)據(jù)實時做出調(diào)節(jié)措施。要楠等[8]設(shè)計了一種以Arduino 為核心的智能溫濕度控制系統(tǒng)，其包含溫濕度傳感器、OLED 顯示器、測量壓強模塊、報警器和火情檢測器，并加入了鍵盤輸入模塊，能夠更好地實現(xiàn)人機聯(lián)動。沈華剛等[9]采用AT89C51 單片機作為控制中心，設(shè)計了一款溫濕度檢測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室環(huán)境信息的自動檢測與報警。

以上文獻中研究人員對溫室環(huán)境智能測控系統(tǒng)進行了大量的研究與設(shè)計，并取得了一定的研究成果。本文將在上述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種更加靈敏完善的溫室環(huán)境參數(shù)智能測控系統(tǒng)，通過采用溫濕度傳感器實時檢測環(huán)境變化，并配置了液晶顯示模塊，使其觀察更加準(zhǔn)確，從而有效地滿足人們對溫室環(huán)境智能檢測與控制的需求。

1 溫室測控系統(tǒng)設(shè)計與硬件選型

多信息融合的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)主要具備溫度數(shù)值與濕度數(shù)值的檢測功能，將檢測結(jié)果通過單片機處理，并利用溫度控制、濕度控制模塊來調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。基于對溫室環(huán)境的功能需求分析，本次設(shè)計擬采用AT89C52 單片機為處理器，通過DHT11 型溫濕度傳感器來實時測量溫室內(nèi)部溫濕度數(shù)值，然后通過顯示模塊來實時顯示檢測的溫濕度數(shù)值是否超過警報閾值，并利用溫度控制、濕度控制模塊來實時調(diào)節(jié)溫濕度信息。因此該系統(tǒng)主要包含7 個模塊，即主控電路與顯示模塊、溫濕度傳感器模塊、電源模塊、按鍵模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊、報警模塊，其核心系統(tǒng)組成框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體成框圖

1.1 主控電路與顯示模塊設(shè)計

單片機又稱單片微控制器，即一塊芯片為一臺小型計算機。它具有體積極小、攜帶方便、價格低廉等特性，使它在工業(yè)控制領(lǐng)域及生活中都有著極為廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計擬采用運用最為廣泛的AT89C52 單片機為主控電路的核心處理器，它是一種低功耗卻有著極高性能的8位微處理器，有40 個引腳和3 種封裝方式。其中40 個引腳大致可分為4 類：時鐘、電源、控制和4 組I/O 引腳。主控電路包括單片機核心處理器本身、復(fù)位電路以及時鐘電路。此外，本設(shè)計的顯示模塊選用LCD1602 液晶顯示模塊，它是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16 列2 行，即32 個字符。主控電路與顯示模塊如圖2 所示。

圖2 主控電路與顯示模塊

1.2 溫濕度傳感器模塊設(shè)計

本設(shè)計采用傳感器DHT11 來進行溫濕度信息的采集。該傳感器將數(shù)據(jù)輸入/輸出的管腳與I/O 口進行直接連接，再通過微處理器對傳感器進行測控，以將所采集的溫室環(huán)境的溫濕度信息傳輸?shù)教幚砥鬟\算中。溫濕度傳感器模塊如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器模塊

1.3 電源模塊設(shè)計

本次設(shè)計所采用的電源結(jié)構(gòu)原理如圖4 所示，其作用為該系統(tǒng)的各個模塊提供充足穩(wěn)定的能量，以保障系統(tǒng)各模塊順利運作。這種穩(wěn)定且連續(xù)的電源供應(yīng)，對于維持系統(tǒng)的正常運作，尤其是在實時檢測和控制溫室環(huán)境的過程中，具有極其重要的作用。

圖4 電源模塊

1.4 按鍵模塊設(shè)計

本設(shè)計選用獨立式鍵盤，它的優(yōu)點是電路不復(fù)雜。利用P 2.1-P 2.3 口進行實現(xiàn)，所有開關(guān)打開時，則都為高電平，而在經(jīng)過與門時也不會變化，故不會中斷。當(dāng)其中某一鍵按下時，則為低電平，并向中央處理器發(fā)起中斷申請，在處理器響應(yīng)后，按指令以行使相應(yīng)職責(zé)。按鍵模塊如圖5所示，其中S 1 起到控制需調(diào)整對象的功能，S 3 與S 4 分別起增加數(shù)值與減少數(shù)值的作用。

圖5 按鍵模塊

1.5 溫度控制模塊設(shè)計

本設(shè)計中的溫度控制模塊通過三極管驅(qū)動，當(dāng)測量出的溫度數(shù)值不在設(shè)定范圍內(nèi)時，信號由高電平轉(zhuǎn)變成低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，繼電器相當(dāng)于起開關(guān)的作用，能夠驅(qū)動負(fù)載。當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)上限時，Q 3 導(dǎo)通、D 2 發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲，同時風(fēng)扇轉(zhuǎn)動進行降溫；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)下限時，Q 4 導(dǎo)通、D 3 發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲，加熱棒開始工作進行升溫。溫度控制模塊如圖6 所示。

圖6 溫度控制模塊

1.6 濕度控制模塊設(shè)計

濕度控制模塊也是通過三極管來驅(qū)動的，當(dāng)測量出的濕度數(shù)值不在設(shè)定范圍內(nèi)時，信號由高電平轉(zhuǎn)變成低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合以驅(qū)動負(fù)載。當(dāng)濕度高于預(yù)設(shè)上限時，Q2 導(dǎo)通、發(fā)光二極管D1 發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲，同時風(fēng)扇轉(zhuǎn)動進行烘干；當(dāng)濕度低于預(yù)設(shè)下限時，Q5 導(dǎo)通、D4 發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲，微型水泵工作進行加濕。濕度控制模塊如圖7 所示。

圖7 濕度控制模塊

1.7 報警模塊設(shè)計

蜂鳴報警器是適用性極廣的裝置，本設(shè)計所用蜂鳴器只需約10 mA 的電流便足以運作，三極管也能夠?qū)λM行驅(qū)動。輸出高電平時，晶體管會處于導(dǎo)通的狀態(tài)，此時蜂鳴器的兩端會獲得約5 V 的電壓而發(fā)聲；輸出低電平時，三極管則會處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不發(fā)聲報警模塊原理如圖8 所示。

圖8 報警模塊

2 系統(tǒng)測試與實驗驗證

在設(shè)計好系統(tǒng)后，需對系統(tǒng)進行調(diào)試以排除系統(tǒng)可能存在的故障，并不斷完善系統(tǒng)的各個硬件及軟件結(jié)構(gòu)，從而保障系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤地達(dá)到所預(yù)期的功能。本設(shè)計的調(diào)試方法包含：系統(tǒng)性能測試、溫濕度測控模擬實驗。

2.1 系統(tǒng)性能測試

本設(shè)計主要進行溫濕度上下限4 種狀態(tài)下的模擬測試，運行狀態(tài)如圖9，測試效果如下：

圖9 4 種運行狀態(tài)效果圖

狀態(tài)一：濕度高于預(yù)設(shè)上限，第一個紅燈亮起，蜂鳴器發(fā)聲，烘干風(fēng)扇工作以降低濕度，其余控制設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖9（a）。

狀態(tài)二：濕度低于預(yù)設(shè)下限，第二個黃燈亮起，蜂鳴器發(fā)聲，微型水泵工作進行加濕，以正常工作提高濕度，其余控制設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖9（b）。

狀態(tài)三：溫度高于預(yù)設(shè)上限，第三個紅燈亮起，蜂鳴器發(fā)聲，降溫風(fēng)扇工作進行降溫，其余控制設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖9（c）。

狀態(tài)四：溫度低于預(yù)設(shè)下限，第四個黃燈亮起，蜂鳴器發(fā)聲，加熱棒工作以達(dá)到升溫的目的，以正常工作提高溫度，其余控制設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖9（d）。

2.2 溫濕度測控模擬實驗

為更加全面地分析本系統(tǒng)的功能，驗證所設(shè)計系統(tǒng)的實際運行效果是否達(dá)到設(shè)計需求，本課題構(gòu)建了簡易的模擬裝置對系統(tǒng)進行溫濕度檢測模擬實驗，分別針對溫度、濕度進行2類不同實驗，并記錄了相應(yīng)控制設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況。

（1）溫度測控模擬實驗

首先，進行溫度上下限報警的相關(guān)實驗，將模擬溫室置于適當(dāng)環(huán)境下，每隔10 min 記錄模擬溫室室內(nèi)溫度的測量值、報警情況及相應(yīng)控制設(shè)備的運作情況（溫度單位為℃）。不同時刻的具體情況如圖10 所示，并記錄每個時刻所對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，實驗記錄如表1。其中，時刻一為溫度低于下限值，加熱棒工作、蜂鳴器報警、LED 常亮；時刻二為溫度在閾值內(nèi)；時刻三到達(dá)溫度逐漸升高至上限值，風(fēng)扇降溫、蜂鳴器報警、LED 常亮。時刻四與五檢測溫度超過閾值，降溫風(fēng)扇工作以降低溫度數(shù)值。時刻六系統(tǒng)溫度繼續(xù)下降，回到預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)。從圖10 與表1 的結(jié)果可知：在進行溫度上下限檢測與控制模擬實驗時，該系統(tǒng)可正常運行，達(dá)到實時檢測溫度信息并將其調(diào)整正常范圍內(nèi)的目的。

表1 溫度測控實驗數(shù)據(jù)記錄表

圖10 （續(xù)）

（2）濕度測控模擬實驗

在排除濕度上下限值外其他限值的影響下，進行濕度上下限報警的相關(guān)實驗，將系統(tǒng)置于模擬溫室內(nèi)，每隔10 min 記錄模擬溫室環(huán)境下相對濕度的測量值、報警情況及相應(yīng)控制設(shè)備的運作情況（相對濕度單位為%）。不同時刻的具體情況如圖11 所示，實驗數(shù)據(jù)記錄于表2。

表2 濕度測控實驗數(shù)據(jù)記錄表

圖11 不同時刻下相對濕度測控效果

在實驗中，記錄每個時刻所對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，其中，時刻一為相對濕度下降至超過預(yù)設(shè)下限值，蜂鳴器報警、水泵工作；時刻二和時刻一狀態(tài)一樣，但相對濕度處于上升狀態(tài)；時刻三在正常閾值范圍內(nèi)，所有設(shè)備均不工作；當(dāng)相對濕度上升并超過預(yù)設(shè)上限值，蜂鳴器發(fā)聲報警、LED 常亮，烘干風(fēng)扇工作進行干燥降濕，時刻四與時刻五為相對濕度上升至超過預(yù)設(shè)上限值，蜂鳴器發(fā)聲報警、LED常亮，烘干風(fēng)扇工作進行干燥降濕，隨著烘干風(fēng)扇的工作，相對濕度逐漸回歸正常閾值范圍內(nèi)。時刻六為相對濕度回歸正常，所有設(shè)備均不工作。從圖11 與表2 的結(jié)果可知：在進行相對濕度上下限檢測與控制模擬實驗時，該系統(tǒng)均可正常運行。

綜合以上實驗及數(shù)據(jù)圖表可知：所設(shè)計系統(tǒng)能夠達(dá)到基本功能需求，有效地實現(xiàn)了“溫度上下限檢測與控制”和“濕度上下限檢測與控制”2 種不同情況的模擬實驗，進一步驗證了所設(shè)計的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的可行性與有效性。

3 結(jié)語

通過對多信息融合的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計的需求分析，本文首先采用AT89C52 單片機為核心的主控電路，并配合顯示模塊、溫濕度傳感器模塊、電源模塊、按鍵模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊、報警模塊等組成。然后，設(shè)計了相應(yīng)的軟件模塊以驅(qū)動系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行性能測試證明設(shè)計系統(tǒng)可正常工作。最后，制作實物系統(tǒng)分別進行溫度測控與濕度測控2種情況的模擬實驗。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計溫室環(huán)境測控系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)對溫度與濕度的檢測，從而達(dá)到控制溫室室內(nèi)環(huán)境的恒溫恒濕效果。