分布式大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

廖尚譽(yù) 尤曉萍（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院機(jī)電工程系，福建 漳州 363105）

分布式大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

廖尚譽(yù) 尤曉萍
（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院機(jī)電工程系，福建 漳州 363105）

摘 要：溫室大棚中的溫度、濕度、通風(fēng)等是影響大棚生成的主要因素，本文設(shè)計(jì)了一套調(diào)節(jié)蔬菜大棚溫度、濕度及通風(fēng)的控制裝置。本設(shè)計(jì)包含溫度、濕度及風(fēng)速檢測裝置，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?，收集大棚各位置的狀態(tài)信息，然后控制大棚四周的薄膜開關(guān)、水簾、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，實(shí)現(xiàn)了大棚各位置的溫濕度控制。并實(shí)際應(yīng)用于蔬菜的無土栽培中。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；單片機(jī)；分布式監(jiān)測

溫室大棚中作物長勢的好壞、質(zhì)量和產(chǎn)量的高低與溫室大棚中的溫度、濕度、風(fēng)速等因素密切相關(guān)，因此對溫室大棚的環(huán)境因素監(jiān)測和控制是非常重要的一環(huán)。本文設(shè)計(jì)“大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)” 基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫濕度測量，并通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理，并做出決策，控制大棚中的薄膜開關(guān)、水簾、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對大棚的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

1　監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，路由控制中心及薄膜開關(guān)、水簾、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖1所示，監(jiān)控制節(jié)點(diǎn)包括監(jiān)測和控制兩部分，監(jiān)測部分對現(xiàn)場溫度，濕度，光照強(qiáng)度及風(fēng)速的檢測，控制部分包含了薄膜開關(guān)、水簾、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。各個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含Zigbee通訊模塊，能將節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測信息通過Zigbee傳輸?shù)娇刂浦行?，再由控制中心通過Zigbee傳輸控制指令給監(jiān)控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 大棚監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

大棚監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用STC12系列單片機(jī)作為控制芯片，該芯片內(nèi)置高效低功耗的8051內(nèi)核、64K可編程Flash、8路10 位AD傳感器、3路定時(shí)計(jì)數(shù)輸入等。通過UART串口與CC2530模塊通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。CC2530模塊在板載PCB天線的條件下可實(shí)現(xiàn)80米可視范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通訊，及多節(jié)點(diǎn)之間的多跳路由。大棚監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用DHT22實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度和濕度的檢測，DHT22采用單總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫濕度的數(shù)字檢測，濕度測量范圍：0-100%RH，濕度測量精度：±2%RH，溫度測量范圍：-40℃-80℃，溫度測量精度：±0.5℃；采用YGC-FS風(fēng)速傳感器對風(fēng)速進(jìn)行檢測，該風(fēng)速傳感器以脈沖信號輸出，用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器采集脈沖寬度，并將其轉(zhuǎn)化為風(fēng)速值，測量范圍為0-70m/s，測量精度可達(dá)±（0.3+0.03V）m/s?？刂撇糠种饕獮槔^電器實(shí)現(xiàn)對各執(zhí)行部件的控制。圖2為大棚監(jiān)控節(jié)點(diǎn)電路原理圖。

2.2 控制中心

控制中心電路采用STC12系列單片機(jī)作為控制芯片，并帶有無線通訊模塊和LCD12864中文顯示模塊，可顯示各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。收集完各節(jié)點(diǎn)信息后，控制中心根據(jù)設(shè)定好的決策對各控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)大棚薄膜開關(guān)、水簾、風(fēng)機(jī)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫濕度和控制大棚內(nèi)空氣流通效果。

3 控制策略與程序設(shè)計(jì)

3.1 控制策略

本設(shè)計(jì)主要是檢測各節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息，然后對大棚內(nèi)的整體溫濕度進(jìn)行調(diào)控。該控制需求主要以無土栽培的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)測試得到。主要的控制過程如下：溫度控制：（1）當(dāng)溫度小于或等于26度時(shí)，先關(guān)閉水簾電機(jī)，在關(guān)閉左右薄膜，60s后在關(guān)閉后側(cè)水簾薄膜。（2）當(dāng)溫度大于或等于30度時(shí)，先打開后側(cè)水簾薄膜。60s后在打開風(fēng)機(jī)，在打開左右薄膜。（3）當(dāng)溫度大于或等于32度時(shí)，左右薄膜關(guān)閉，后起動水簾電機(jī)，在打開排氣風(fēng)扇降溫。濕度控制：當(dāng)濕度60度時(shí)關(guān)閉排氣扇，濕度80度時(shí)，打開排氣扇，關(guān)閉水簾電機(jī)。抽水澆菜控制，早上6點(diǎn)抽30分鐘，中午10點(diǎn)抽30分鐘，下午2點(diǎn)抽30分鐘。每個(gè)下午4點(diǎn)鐘，大棚頂黑網(wǎng)合起來。

3.2 程序設(shè)計(jì)

大棚控制節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行Zigbee組網(wǎng)，然后檢測沙井蓋開啟狀態(tài)信息，再監(jiān)聽Zigbee網(wǎng)絡(luò)的指令信息，根據(jù)指令信息反饋當(dāng)前狀態(tài)。

圖1　溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2　大棚監(jiān)控節(jié)點(diǎn)電路原理圖

圖3　大棚監(jiān)控節(jié)點(diǎn)流程圖

圖4　控制中心的控制流程

大棚控制中心節(jié)點(diǎn)主要協(xié)調(diào)大棚內(nèi)各節(jié)點(diǎn)與控制中心之間的數(shù)據(jù)。由于節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)較多，如果由大棚監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主動向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的話容易造成同一網(wǎng)段內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的情況，造成信息的滯后，甚至丟失，因此控制中心與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間采用主動查詢的方式，由控制中心定時(shí)向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢指令來查詢大棚內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。大棚內(nèi)溫濕度控制的實(shí)時(shí)性要求不用很高，可以幾分鐘查詢一次節(jié)點(diǎn)信息。因此不會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)傳輸。

結(jié)語

該設(shè)計(jì)在企業(yè)的實(shí)踐基地中進(jìn)行測試，經(jīng)實(shí)地測試，該設(shè)備的檢測精度滿足實(shí)際控制中大棚溫濕度控制的需求，且比PLC設(shè)計(jì)的相關(guān)設(shè)備的成本更低，取代了原有大棚內(nèi)的PLC控制系統(tǒng)，很好的實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與控制任務(wù)，為企業(yè)節(jié)約了大量的人力資源，同時(shí)數(shù)據(jù)可通過控制中心導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析與存檔，增強(qiáng)了用戶的體驗(yàn)。

在后期的研究中，我們將繼續(xù)研究，可實(shí)現(xiàn)大棚的遠(yuǎn)程控制，并針對有土栽培的加入土壤濕度檢測，無土栽培加入酸堿性檢測等，提高設(shè)備的適用范圍，還可增加日期，并引入研究人員的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對植被在四季中的適應(yīng)性對大棚內(nèi)溫濕度情況進(jìn)行調(diào)整。

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中圖分類號：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A