溫室大棚環(huán)境自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：進(jìn)行溫室大棚環(huán)境自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計，需了解溫室大棚現(xiàn)存問題，從其根本所需入手，進(jìn)行系統(tǒng)整體化設(shè)計，包括系統(tǒng)架構(gòu)、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)測試等，確保所設(shè)計出的溫室大棚系統(tǒng)具備較好的適用性，能夠徹底解決溫室大棚在應(yīng)用中遇到的各種問題，以此來確保溫室大棚的種植效果，提升作物產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；環(huán)境自動監(jiān)測與控制；系統(tǒng)設(shè)計

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.006

中圖分類號：TP 273? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）01-00-03

Design of Automatic Monitoring and Control System for Greenhouse Environment

CHENG Dandan

（Zhengzhou Vocational College of Finance， Taxation and Finance， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： To design an automatic monitoring and control system for the greenhouse environment， it is necessary to understand the existing problems in the greenhouse， start from their fundamental needs， and carry out a comprehensive system design， including system architecture， hardware design， software design， system testing， etc.， to ensure that the designed greenhouse system has good applicability and can completely solve various problems encountered in the application of greenhouse， To ensure the planting effect of the greenhouse and increase crop yield.

Key words： greenhouse; environmental automatic monitoring and control; system design

進(jìn)入新時期以后，農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展使很多地區(qū)開始引入溫室大棚，以期為作物提供更好的生長環(huán)境并提升抗災(zāi)害能力。為避免出現(xiàn)溫度、濕度、光照度等異常問題，有必要根據(jù)溫室大棚的基本特征，進(jìn)行環(huán)境自動監(jiān)測、控制系統(tǒng)設(shè)計，以此來實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)的靈活調(diào)整。

1? ?溫室大棚現(xiàn)存問題

溫室大棚現(xiàn)存問題主要集中在以下方面：人工成本高、工作耗時長、生產(chǎn)效率低；生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集滯后殘缺、生產(chǎn)險情發(fā)現(xiàn)延誤；高度依賴于人工操作，環(huán)境檢測判斷不精準(zhǔn)；環(huán)境因素影響植物生長，收益低；智能溫室控制效果差、控制因素單一；各類環(huán)境因素難以實(shí)現(xiàn)同步控制，難以實(shí)現(xiàn)自動報警等。綜合以上因素，設(shè)計一種針對溫室大棚環(huán)境中光照度、溫濕度的自動控制系統(tǒng)，對于提升溫室大棚的使用效果來說意義非凡^[1]。

2? ?溫室大棚環(huán)境自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)

的設(shè)計對策

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體設(shè)計內(nèi)容為光照、溫度、濕度的測量與控制系統(tǒng)，包括以下組成部分：電源模塊、聲光報警裝置、LCD液晶顯示屏、控制器、按鍵模塊、光照度傳感器GY-30、溫濕度傳感器DHT11、單片機(jī)STC89C52等；主要工作原理是：以STC89C52為整個系統(tǒng)核心，由光照度、溫濕度傳感器采集各類物理信號，加以處理，轉(zhuǎn)化為電信號，輸送到單片機(jī)；單片機(jī)靈活處理各類傳感器信號，轉(zhuǎn)化為輸出信號，傳輸給顯示屏。系統(tǒng)本身具備環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)功能，在系統(tǒng)運(yùn)行時，若檢測到某項數(shù)據(jù)超限，會點(diǎn)亮對應(yīng)警報燈，發(fā)出蜂鳴響聲，讓控制器繼電器直接閉合，所對應(yīng)控制裝置啟動；若光照超出最大限值，會在報警后自動啟動遮光設(shè)備^[2]。

2.2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括以下內(nèi)容。

（1）STC89C52單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)由時鐘電路、電源電路、單片機(jī)、復(fù)位電路等組成。時鐘電路的作用是在單片機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生時鐘信號，確保單片機(jī)按照時鐘信號節(jié)拍執(zhí)行各個指令。時鐘產(chǎn)生方式包括兩種：內(nèi)部時鐘、外部時鐘，其中，外部時鐘是將現(xiàn)用時鐘信號從XTAL1、XTAL2直接送往單片，適用于多個單片機(jī)狀況?？紤]到本設(shè)計采用單個單片機(jī)系統(tǒng)，選擇內(nèi)部時鐘模式，采用2個30 pF電容、12 MHz晶振與片內(nèi)高增益反相放大器合力搭建自激振蕩器；電源電路采用的是穩(wěn)壓范圍寬、功耗低、體積小的開關(guān)電源裝置，其中輸入電壓、輸出電壓分別為AC220 V、DC12 V，并直接向系統(tǒng)各個子模塊提供相對穩(wěn)定、持續(xù)的直流電源。復(fù)位電路采用上電+手動復(fù)位電路模式，在復(fù)位時讓STC89C52RC的RST引腳獲取不低于兩個機(jī)器周期的高電平，以上電復(fù)位來說，在單片機(jī)上電時，會讓電源+5 V的Vcc借助10kΩ電阻完成對10 uF電容充電，且在剛上電階段，部分較大電流從Vcc經(jīng)電阻、電容流向GND，因電容兩端電壓不會發(fā)生突變，故而仍是0V，電壓兩端獲取5 V電壓，RST引腳電勢5 V，持續(xù)充電，電流降低，電阻兩端電壓、RST引腳電勢隨之降低，持續(xù)一段時間后，觀察到RST引腳兩端電壓下降到高電平以下時，在充電兩個周期，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位^[3]。

（2）傳感器模塊。①溫濕度傳感器。溫濕度傳感器選擇NH121百葉外殼大氣溫濕度三合一傳感器，氣溫量程-40～60℃（誤差±0.2℃），濕度量程0%～100%（誤差±3%），氣壓量程600～1100hP（誤差±0.1%），照度量程0-200klx（誤差±5％），可實(shí)現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換，所用傳感器接口后綴包括U2、I、R等形式。以U2接口后綴來說，其輸出信號DC0-2 V，輸出值計算：輸出值=（輸出電壓mV/2 000 mV）×量程+量程起始值，接線定義：1Pin紅：電源；2Pin綠：GND；3Pin黃：信號輸出，功耗≤20 mW@5 V，工作電壓DC4 V～24 V。該類傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)堅固、使用壽命長、測量精度高、穩(wěn)定性好、微功耗、傳輸距離長、抗外界干擾能力強(qiáng)^[4]。②光照度傳感器。選擇EM500-LGT光照傳感器，可精準(zhǔn)檢測周圍環(huán)境光照強(qiáng)弱變化，針對不同光照情況自動切換測量區(qū)間，光照測量區(qū)間0～65 535 lx，提供準(zhǔn)確的光照信息，無須拆卸，使用NFC即可配置。具體應(yīng)用流程：手機(jī)下載NFC配置工具M(jìn)ilesight ToolBox→打開手機(jī)NFC，靠近傳感器→進(jìn)行參數(shù)配置。此外傳感器內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊，支持直接輸出讀數(shù)，精度精確到1 lx，可滿足系統(tǒng)整體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。③CO₂傳感器。供電電源為10～30 VDC，功耗為0.3 W（24 VDC），測量范圍為0～5 000 ppm（默認(rèn)），測量精度0～5 000 ppm：+（50 ppm+3%F·S）…，工作環(huán)境-10～+50°C.0-80%RH，系統(tǒng)預(yù)熱時間為2 min（可用）、10 min（最大精度）；響應(yīng)時間90%階躍變化時一般小于90 s，平均電流＜85 mA，穩(wěn)定性＜2%F·S，非線性＜1%F·S，數(shù)據(jù)更新時間為2 s，自帶溫度補(bǔ)償。④其他傳感器。比如土壤墑情傳感器、土壤水分傳感器等，按需配置。

（3）顯示屏。選擇LCD液晶顯示屏，在各點(diǎn)收到信號后保持特定亮度、色彩，恒定發(fā)光，主要參數(shù)如下。電源：12 VDC 5A；操作系統(tǒng)：Windows 10 Pro（64位）；存儲空間：32 GB固態(tài)硬盤；尺寸：205mm×220mm×40 mm；運(yùn)行內(nèi)存：4 GB金士頓DDR3 SDRAM 1 600 MHz；處理器：AMD E-350D APU with Radeon HD Graphics，有液晶、點(diǎn)陣、數(shù)碼管和高亮燈板四種顯示方式。

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計按照模塊布置各類功能，以此來實(shí)現(xiàn)整體化管理，在保證各個模塊互聯(lián)互通的同時，降低相互間的負(fù)面干擾。主要包括以下模塊。

（1）監(jiān)測功能模塊。通過各類傳感器監(jiān)測大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)：空氣溫濕度、二氧化碳、土壤溫濕度等，根據(jù)采集數(shù)據(jù)，控制設(shè)備可以自動控制大棚內(nèi)的執(zhí)行設(shè)備，如通風(fēng)設(shè)備、遮陽電機(jī)、電磁閥澆灌等^[5]。

（2）土壤墑情監(jiān)測模塊。該模塊主要用于對溫室大棚環(huán)境進(jìn)行全天候監(jiān)控，通過對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的搜集、分析、傳輸、存儲，實(shí)現(xiàn)對土壤變化情況的了解，為控制中心的相關(guān)決策提供數(shù)據(jù)支撐，以此來保證土壤種植有效性。

（3）自動蟲情監(jiān)測系統(tǒng)模塊。其集光電技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、害蟲預(yù)警技術(shù)等各類技術(shù)于一體，及時上傳溫室大棚內(nèi)各類害蟲的基本分布、數(shù)量、變化趨勢等，以數(shù)據(jù)的形式呈遞于控制中心，并對其中偏離實(shí)際的、不具備參考意義的數(shù)據(jù)剔除，進(jìn)行數(shù)據(jù)整體化分析，以此來為害蟲誘集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動化處理等提供基礎(chǔ)方案^[6]。

（4）智能孢子監(jiān)測系統(tǒng)模塊。該模塊集成了電子數(shù)碼顯微、數(shù)字圖像處理與人工智能識別、GMS全球數(shù)據(jù)傳輸?shù)痊F(xiàn)代高新技術(shù)，集病菌孢子自動捕捉、自動識別、自動計數(shù)、自動存儲等功能于一體，實(shí)現(xiàn)對病菌孢子的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。

（5）災(zāi)情、苗情監(jiān)測模塊。靈活利用各類傳感器，結(jié)合溫室大棚需求進(jìn)行傳感器靈活布置，并實(shí)現(xiàn)對作物播種、間苗、肥水管理、采摘包裝等各個流程的視頻監(jiān)控，以此來實(shí)現(xiàn)規(guī)范化作業(yè)；借助遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控機(jī)制，確保對溫室大棚管理人員的在線指導(dǎo)，包括技術(shù)指導(dǎo)、操作規(guī)范等，以此來避免因人員因素而造成的作物種植失當(dāng)^[7]。

（6）控制模塊。具有自動控制和遠(yuǎn)程控制兩種控制模式：自動控制，通過光照度、溫濕度等傳感器作用，挖掘環(huán)境數(shù)據(jù)信息，利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過LCD顯示屏顯示、判定數(shù)據(jù)是否在設(shè)定范圍內(nèi)。若在范圍內(nèi)需關(guān)閉加濕、加熱、補(bǔ)光等設(shè)備；若不在范圍內(nèi)，一方面繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，更新監(jiān)測數(shù)據(jù)，另一方面啟動聲光報警器、對應(yīng)控制器，加熱設(shè)備、降溫設(shè)備、加濕設(shè)備、抽濕設(shè)備、補(bǔ)光裝備、遮光裝備等。在自動控制失效后，啟動遠(yuǎn)程控制，通過鼠標(biāo)操作可以切換本機(jī)上的監(jiān)控畫面和控制本機(jī)上的高速球旋轉(zhuǎn)、自動歸位；數(shù)字矩陣，可對電視墻上的監(jiān)控圖像進(jìn)行智能化切換，并可預(yù)設(shè)監(jiān)視器里自由切換、程序切換、定時切換程序，按照既定規(guī)則運(yùn)行。

（7）展示平臺模塊。通過展示平臺集中各項功能鍵，實(shí)現(xiàn)對各分部功能的集中化操作，為管理人員提供較大便利；且展示平臺上顯示大棚中的各類環(huán)境變化數(shù)據(jù)，方便針對異常情況的及時處理。

2.4 系統(tǒng)測試

為保障系統(tǒng)的可用性、有效性，需對其核心功能加以測試，確定以下內(nèi)容。

（1）測試目的。系統(tǒng)測試是監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，主要是進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，健全系統(tǒng)功能，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支撐、參考。

（2）選定測試方法。①因成本、時間、人工等方面因素，在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時，需考慮測試設(shè)備本身的實(shí)際執(zhí)行力，選定不同類型馬達(dá)、指示燈、小風(fēng)扇等連接單片機(jī)，用于替代對應(yīng)控制裝置，其中小風(fēng)扇、小燈工作代表降溫設(shè)備、加熱設(shè)備啟動，不同顏色馬達(dá)代表抽濕器、加濕器。還有兩個小馬達(dá)可表示補(bǔ)光設(shè)備、遮光設(shè)備。在溫度超標(biāo)時，小風(fēng)扇啟動以模擬降溫設(shè)備工作；在溫度過低時，啟動對應(yīng)馬達(dá)模擬加濕機(jī)工作；在光照超限時，啟動馬達(dá)模擬遮光設(shè)備。②在實(shí)際工作時，會受各種因素限制，故而條件允許時，可選擇帶玻璃窗封閉房間進(jìn)行溫室大棚控制系統(tǒng)模擬，設(shè)置溫度區(qū)間為18～29℃、濕度區(qū)間為70～90 RH，光照度區(qū)間為7 000～11 000 lx，記錄頻次為1 h/次；選擇高精度工業(yè)溫濕度測量儀、光照度測量儀測取封閉房間中的光照度、溫濕度，與測量值進(jìn)行對比分析，表1為控制系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)、實(shí)際數(shù)據(jù)對比表。

2.5 結(jié)果分析

分析表1所示各項數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度、光照度誤差值皆在傳感器標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器在大棚相關(guān)參數(shù)超標(biāo)時可及時發(fā)揮作用，這代表系統(tǒng)具備較高反應(yīng)速度、測量精度，控制中心具備較好的應(yīng)用效能，可滿足溫室大棚環(huán)境監(jiān)測、控制所需。

3? ?結(jié)束語

文章就溫室大棚環(huán)境自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計對策展開了綜合論述與分析，以上提出的設(shè)計流程具備較大的可行性、有效性，在實(shí)際落實(shí)過程中，只需結(jié)合溫室大棚基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用需求等加以調(diào)整即可發(fā)揮其更大效能，為大棚作物穩(wěn)定生長創(chuàng)造良好條件。

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作者簡介：程丹丹（1989-），女，漢族，河南洛陽人，助教，碩士研究生，研究方向?yàn)樾聲r代信息技術(shù)。