智能溫室大棚自動控制系統的設計

吳 彬，劉 煜，馬鑫磊

（鄂爾多斯應用技術學院，017020，內蒙古鄂爾多斯）

農業在我國有著舉足輕重的地位，溫室大棚在農業生產中起著關鍵作用。隨著科學技術的發展，溫室大棚也從傳統模式向現代模式發展。自1999 年美國麻省理工學院的教授Kevin Ashton 提出了物聯網IoT(Internet of Thing)的概念以來，萬物互聯不斷發展已經衍生出農業物聯網的概念。但是我國溫室大棚分散、不集中，導致物聯網鋪設線路復雜困難，維護成本高。在智能溫室大棚領域，一些西方發達國家對農業控制系統涉足較早，以色列基于計算機控制技術開發了環境變量調控系統，并輔助以一些機械裝置如天窗、幕簾等自動調節光線強度，再通過計算機與現場設備通信實現自動灌溉與施肥。總的來說，我國溫室大棚自動控制與管理和發達國家相比還存在較大的差距。

結合以上問題，本文設計了一種可以自動將溫室大棚內的溫度、濕度、光照控制在人為設定值范圍內的控制系統，采用無線網傳輸的方式，并與各傳感器節點相結合，具有成本低、時效性強、操作簡單的特點。

1 系統整體設計方案

控制系統通常有給定環節、比較環節、控制器、放大器、執行機構和反饋環節。主控節點相當于給定環節；控制節點就相當于比較環節、控制器、放大環節和執行機構的集合體；采集節點就相當于反饋節點；通用節點相當于比較環節、控制器、放大環節、執行機構和反饋環節的結合（其就相當于采集節點、中繼節點和控制節點的結合），其內部已經構成反饋回路，只需加上給定環節就可以構成自動控制系統。將這些節點通過上述輸入輸出關系進行連接就能組成一個多輸入多輸出的多控制變量的數字計算機控制系統。設計的控制系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 多控制變量控制系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee 芯片CC2530

CC2530 是一個內核為8051 的單片機，最高時鐘頻率為32 MHz，提供了18 個中斷源和4 級中斷優先級，片內集成8 k SRAM、32～256 k FLASH，并配有1個DMA 控制器，配有21 個I/O 端口，掛有定時器、ADC、DAC、看門狗、串口、隨機數發生器和AES 協處理器等外設。CC2530 最小系統為維持正常運行必需的外圍電路，由于芯片涉及無線傳輸，故還必須有高頻無線信號傳輸電路。

CC2530 是一塊41 腳的芯片，各引腳所連接電路如圖2 所示，其中第41 腳在芯片封裝底部為接地端。P1_4 所接LED 的作用是顯示網絡的狀態。

圖2 CC2530 芯片主體及外圍網絡

2.2 FC-28 土壤濕度采集模塊（4 線）

4 線制的FC-28 可以將土壤濕度采集并轉化為模擬電壓信號輸出，可以用CC2530 的ADC 對其進行采集。其連接電路如圖3 所示。

圖3 FC-28 連接電路

2.3 DHT11 溫濕度采集電路

DHT11 采用4 引腳的封裝，1 腳為電源引腳，2 腳為單線雙向的串行數據接口用于數據的傳輸，3 腳懸空，4 腳為地。為使傳輸更為穩定，常在2 腳上拉電阻。其連接電路如圖4 所示。

圖4 DHT11 連接電路

2.4 GY-302 光照度采集模塊

GY-302 光照度采集模塊板載了BH1750 芯片，可以實現光照度的采集并通過IIC 總線將采集的數據數字量進行傳輸。其連接電路如圖5 所示。

圖5 GY-302 連接電路

3 系統軟件設計

控制節點功能是通過采集節點反饋的環境數據和用戶通過主控節點設定的環境變量的期望值來控制環境變量。程序中當節點睡眠時若有發給該節點的數據，則數據會暫存到其父節點中，待睡眠喚醒時，節點會自動從其父節點讀取數據。若控制節點長時間未收到采集節點采集到的數據，則說明采集節點可能已經掉線。程序中對于這種情況的做法是向主控制節點發送一個設備離線信息，同時停止執行機構的動作。程序流程如圖6 所示。

圖6 控制節點程序流程圖

4 功能測試與結果分析

4.1 系統調試目的

系統調試是系統設計的重要環節，調試是為了發現并排除系統中存在的錯誤，完善系統功能，有利于更好開展之后的工作。

4.2 測試方法

連接好電路后，在計算機上對溫室大棚內土壤濕度、光照度、溫度進行范圍值的設定。當大棚內溫度高于設定值時，排風扇開始旋轉通風；當土壤濕度低于設定值時，抽水泵開始工作灌水，當檢測到土壤濕度到達設定值時抽水泵停止工作；當大棚內光線不足低于設定值時，補光燈自動亮起，當光照度高于設定值時補光燈自動熄滅。

由于實際條件的限制，在系統數據測試時，選擇一間有玻璃窗的封閉房間用于模擬溫室大棚來測試系統的穩定性與準確性。

4.3 測試結果分析

通過實驗得出各傳感器都存在誤差，但都在傳感器要求范圍內，水泵、補光燈、換氣扇作出反應也是很迅速的。測試結果表明該系統的測量精度還是比較高的，顯示器顯示的數據和溫室大棚內真實環境的狀況基本上同步，實際應用功能基本達到要求。

5 結語

本次設計是基于芯片CC2530 和ZStark-CC2530-2.5.1a 協議棧平臺以及物聯網的概念設計的，設計的系統可以24 h 實時監測溫室大棚內的環境變化，同時對環境作出調節，直至達到設定值范圍，實現對溫室大棚的自動控制。本系統成本低、功耗低、節點控制靈活、精度高、拓展容易，具有較高的經濟效益，為溫室大棚的自動化控制和管理提供了新的途徑。