基于多傳感器融合結(jié)合單片機(jī)在溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊柏松，熊建斌，2，鄭桂彬，鄒東興

（1.廣東石油化工學(xué)院 計算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣東 茂名，525000；2.廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 茂名，525000）

大棚溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境，為植物生長創(chuàng)造優(yōu)良的條件，避免遭遇季節(jié)變化和惡劣天氣影響的溫室。溫棚環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制， 主要是對一些參數(shù)進(jìn)行檢測與控制。 例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫棚環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境測控是實(shí)現(xiàn)溫棚生產(chǎn)管理自動化、科學(xué)化的基本保證[2-6]。 在監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的[1-3]。

目前, 國外的溫棚環(huán)境控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到計算機(jī)自動控制的現(xiàn)代高科技溫室,并已形成一定的標(biāo)準(zhǔn)[4-7]。 而我國的溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)相對落后，尤其在溫棚環(huán)境自動控制方面，并且其只在大規(guī)模的農(nóng)業(yè)溫棚環(huán)境中運(yùn)用[2-5]。中、小規(guī)模的農(nóng)業(yè)溫棚仍由大部分人工來操作檢測，其勞動強(qiáng)度大，無法實(shí)現(xiàn)溫濕度的精確控制。 結(jié)合近幾年來，運(yùn)用在中、小規(guī)模的農(nóng)業(yè)溫棚自動控制系統(tǒng)，其成本相對較高，性能不夠穩(wěn)定，易受到環(huán)境等因素的影響，因此，得不到廣泛的運(yùn)用[3-6]。

結(jié)合我國現(xiàn)應(yīng)用在中、小規(guī)模溫棚環(huán)境自動控制系統(tǒng)的不足，設(shè)計出一套低成本、性能穩(wěn)定、微型自動控制系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。 因此，本文研究的是利用性價比高51 單片機(jī)的核心部件；通過搭建光強(qiáng)采集模塊、溫度采集模塊、濕度采集模塊和按鍵上下調(diào)溫控制模塊來監(jiān)測溫棚室內(nèi)影響植物生長的環(huán)境因素。 本溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)能通過相應(yīng)的傳感器檢測出當(dāng)前溫度、濕度、光強(qiáng)等并能過LCD 顯示屏顯示，當(dāng)溫棚室內(nèi)的環(huán)境因素值不在設(shè)定的范圍內(nèi)時，會出現(xiàn)報警提示，并自動反饋?zhàn)龀鱿鄳?yīng)的處理。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

本溫棚自動控制系統(tǒng)中， 利用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11 采集溫濕度信息，光照傳感器BH1750FVI 采集光強(qiáng)參數(shù)并回傳給單片機(jī)， 單片機(jī)將模擬量處理之后的數(shù)據(jù)送給LCD1602 液晶顯示，以便相關(guān)工作人員直觀了解當(dāng)前環(huán)境因素。 本系統(tǒng)默認(rèn)溫度范圍設(shè)定為15～35℃， 濕度設(shè)定55%～75%，為了適應(yīng)不同農(nóng)業(yè)作物的適宜環(huán)境因素，可以通過鍵盤重新定義適宜農(nóng)作物生長的環(huán)境因素。系統(tǒng)正常工作后，如果當(dāng)前環(huán)境溫度不在設(shè)定范圍內(nèi)， 則說明當(dāng)前溫度不滿足工作需求，則單片機(jī)自動啟動負(fù)載電路，并根據(jù)當(dāng)前溫度，若溫度小于15℃，開啟加熱燈補(bǔ)光增溫，以快速達(dá)到提高溫度效果。當(dāng)環(huán)境實(shí)時溫度比所設(shè)定的溫度值高的時候， 通過溫風(fēng)扇排氣導(dǎo)風(fēng)降溫，以達(dá)到設(shè)定值；反之，從而達(dá)到一個自動控制的作用，整個系統(tǒng)形成一個閉環(huán)溫度值，濕度控制同理。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

整個自動控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要有光照強(qiáng)度采集、溫度和濕度采集、LCD 顯示、增溫電路、降溫電路。 其用到的器件清單如下:

單片機(jī)芯片STC89C51、 排阻RESACK-8、 液晶顯示器LCD1602、 按鍵開關(guān)BUTTON、 指示燈LCD-RED、 二極管1N4001、溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11、光強(qiáng)傳感器BH1750FVI、 滑 動 變 阻 器3361P-1-102GLF、 排 氣 扇MOTOR、繼電器RELAY、電阻RES。對主要器件簡要說明如下：

2.1 單片機(jī)芯片STC89C51

STC89C51[8]是一種低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。 STC89C51 主要功能如下：

①一般控制應(yīng)用的8 位單芯片

②晶片內(nèi)部含有時鐘振蕩器 （傳統(tǒng)最高工作頻率可至12MHz）

③內(nèi)部程式存儲器（ROM）為4KB

④內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為128B

⑤外部程序存儲器可擴(kuò)充至64KB

⑥外部數(shù)據(jù)存儲器可擴(kuò)充至64KB

⑦32 條雙向輸入輸出線,且每條均可以單獨(dú)做I/O 的控制

⑧5 個中斷向量源

⑨2 組獨(dú)立的16 位定時器

⑩1 個全雙工串行通信端口

2.2 DHT11 溫濕度采集模塊

DHT11[9-10]數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器， 運(yùn)用了數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，保證了產(chǎn)品的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。其基本參數(shù)如下:

表1 DHT11 溫濕度采集模塊基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters of temperature and acquistion module of DHT11

2.3 BH1750FVI 光照強(qiáng)度采集模塊

BH1750FVI[11]是一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測， 其具有1lx-65535lx 的高分辨率，可支持較大范圍的光照強(qiáng)度變化。

2.4 溫度顯示模塊（LCD1602）

字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2 和40×2 行等的模塊[8]。

LCD1602 主要技術(shù)參數(shù)如下：

顯示容量:16×2 個字符

芯片工作電壓:4.5～5.5 V

工作電流:2.0mA(5.0 V)

模塊最佳工作電壓:5.0 V

字符尺寸:2.95×4.35(W×H) mm

2.5 按鍵模塊

在本設(shè)計中有三個獨(dú)立按鍵[12-13]，如圖1 所示；分別連接單片機(jī)的P2^5，P2^6，P2^7 I/O 口。其中S1 為菜單鍵。正常狀態(tài)顯示當(dāng)前環(huán)境溫度信息如圖2 所示，按第一次菜單按鍵,進(jìn)入限定最高溫度輸入模式，如圖3 所示；按第二次, 進(jìn)入限定最低溫度輸入模式，如圖4 所示；按第三次結(jié)束循環(huán),返回當(dāng)前溫度顯示。S2 溫度上調(diào)按鍵，用于手動提高設(shè)定的數(shù)值，S3 溫度下調(diào)按鍵，用于手動降低設(shè)定的溫度數(shù)值。

圖1 按鍵電路連接圖Fig. 1 Key circuit connection diagram

圖2 當(dāng)前溫度顯示界面Fig. 2 Display the current temperature

圖3 限定最高溫度輸入操作界面Fig. 3 Limiting the maximum temperature of the input interface

圖4 限定最低溫度輸入操作界面Fig. 4 Limit lowest temperature input interface

2.6 溫度自動控制模塊

本自動溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計中將溫度默認(rèn)設(shè)定為15～35 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度高于35 ℃時，單片機(jī)的I/0 口發(fā)出控制信號使繼電器控制強(qiáng)電系統(tǒng)啟動加熱電路； 當(dāng)大棚內(nèi)的環(huán)境溫度低于15 ℃時，單片機(jī)的信號控制繼電器啟動強(qiáng)電降溫電路。

3 實(shí)現(xiàn)及調(diào)試

3.1 主程序框圖

系統(tǒng)主程序框圖如圖5 所示，主程序主要包括以下幾個重要步驟：

①單片機(jī)初始化，對芯片內(nèi)存工作參數(shù)進(jìn)行使用前的初始化；

②程序讀取BH1750FVI 傳感器的光照強(qiáng)度；

③程序讀取DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器的溫濕度；

從比較優(yōu)勢理論角度來看，各國要素稟賦的差異導(dǎo)致的產(chǎn)品價格差異產(chǎn)生了國際貿(mào)易。凱恩斯的宏觀經(jīng)濟(jì)理論提出收入變化將影響消費(fèi)者的購買力，因此收入也是影響貿(mào)易需求的重要因素。根據(jù)需求彈性的相關(guān)定義和上述理論，中國乳制品進(jìn)口需求主要受進(jìn)口價格和消費(fèi)者收入兩方面的影響。假設(shè)將中國乳制品年進(jìn)口量Q作為模型的因變量，將經(jīng)濟(jì)環(huán)境中影響乳制品進(jìn)口的因素作為自變量，估計進(jìn)口的需求價格彈性。

④程序判斷是否有手動輸入設(shè)定溫濕度控制范圍，若有，更新上下限溫濕度參數(shù)設(shè)定；若無，執(zhí)行下一步的數(shù)據(jù)處理；

⑤判斷是否超過設(shè)定溫濕度，若超過溫度上限則啟動降溫濕模 塊，若沒有超過則繼續(xù)進(jìn)行判斷；

⑥判斷是否低于設(shè)定溫濕度，若低于溫度下限則啟動加熱溫濕度模塊；

⑦若位于初始化設(shè)定溫濕度，則返回刷新實(shí)時溫度。

3.2 調(diào)試說明

本次系統(tǒng)的程序采用C 語言編寫，通過在Keil uVision3編寫，其過程如下：

圖5 主程序框圖Fig. 5 The main program block diagram

①創(chuàng)建一個項(xiàng)目，從器件庫選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置。

③用項(xiàng)目管理器生成你的應(yīng)用。

④修改源程序中的錯誤。

⑤程序修改完，通過編譯后，生成HES 文件，啟動Proteus仿真軟件畫好相應(yīng)的電路圖，燒寫進(jìn)HES 文件，進(jìn)行相應(yīng)的性能驗(yàn)證。

本溫棚自動控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的室內(nèi)溫度為15～35 ℃，當(dāng)溫度傳感器檢測到此時溫度在此范圍內(nèi)時，排氣扇、熱光燈不工作。 如下圖為溫度傳感器檢測到溫棚的溫度為28 ℃時，排氣扇、熱光燈不工作，同時液晶顯示屏顯示28 ℃。 如圖6 所示。

當(dāng)溫度傳感器檢測到此時溫度為38 ℃時，報警器工作，同時排氣扇工作，通過抽風(fēng)機(jī)向外排氣，以降低溫棚的溫度。 一段時間后，溫棚的室溫維持在預(yù)設(shè)的溫度內(nèi)時，排氣扇停止工作。 如圖7 所示。

圖7 溫度過高狀態(tài)Fig. 7 High temperature state

當(dāng)溫度傳感器檢測到此時溫度為12 ℃時， 報警器工作，同時高溫?zé)艄夤ぷ?，通過燈光發(fā)光來補(bǔ)充溫棚內(nèi)的溫度。一段時間后，溫棚的室溫維持在預(yù)設(shè)的溫度內(nèi)時，高溫?zé)艄馔Ｖ构ぷ鳌?如圖8 所示。

圖8 溫度過低狀態(tài)Fig. 8 Low temperature condition

通過相應(yīng)的溫度、濕度、光強(qiáng)相應(yīng)的性能測試后，驗(yàn)證本自動控制性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，不易受環(huán)境等因素的影響。

4 結(jié)論

針對我國現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)溫棚環(huán)境自動控制系統(tǒng)大部分應(yīng)用在大規(guī)模的農(nóng)業(yè)溫棚中，中、小規(guī)模農(nóng)業(yè)溫棚仍由大部分人工來檢測與控制，不僅效率低、精確度低，而且勞動強(qiáng)度大。為了進(jìn)一步解決中、小規(guī)模農(nóng)業(yè)溫棚由人工操作這種現(xiàn)狀，設(shè)計了由性價比高的51 單片機(jī)為核心， 通過搭建光強(qiáng)采集模塊、溫度采集模塊、濕度采集模塊和按鍵上下調(diào)溫控制模塊組成一種性能穩(wěn)定、性價比高、體形小和便宜攜帶的溫棚自動控制系統(tǒng)。但由于溫度傳感器、濕度傳感器等在測取溫度、濕度、光強(qiáng)方面有一定延遲局限性，需要進(jìn)一步研究。

[1] 方安平,孔令凱.嵌入式技術(shù)在溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].軟件導(dǎo)刊,2007(1):32-33.

FNAG An-ping, KONG Ling-kai. Embedded technology in greenhouses environmental control system[J]. Software guide,2007(1):32-33.

[2] 盧松泉.溫棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)[J].電子科技，2013,26（9）：89-90.

LU Song-quan. Greenhouse environmental data acquisition and wireless transmission systems [J].Electronic science and technology,2013,26（9）：89-90.

[3] 李紀(jì)文，駱德淵，劉榮.數(shù)字PID在溫室環(huán)境自動控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009(1)：205-206.

LI Ji -wen, LUO De -yuan, Liu Rong. Digital PID in Greenhouse Environment Control [J].Agricultural mechanization research, 2009(1)：205-206.

[4] 李慧,劉毅.溫室控制技術(shù)的發(fā)展方向[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2004，32(5):4-6.

LI Hui，LIU Yi.Greenhouse control the direction of technology development [J].Forestry Machinery &Woodworking Equipment,2004，32(5):4-6.

[5] 易順明，趙海蘭，袁然.基于單片機(jī)的大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(7)：130-134.

YI Shun-ming,ZHAO Hai-lan,YUAN Ran.Based on single chip microcomputer of greenhouse temperature and humidity control system design [J].Modern electronic technology,2011,34(7)：130-134.

[6] 周曙東，周文魁，朱紅根，等.氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響及應(yīng)對措施[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版，2010，10（1）：34-35.

ZHOU Shu-dong,ZHOU Wen -kui,ZHU Hong -gen,et al.Impact of climate change on agriculture and countermeasures[J].Journal of nanjing agricultural university:Social science edition,2010，10（1）：34-35.

[7] 周紹炳，溫棚自動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[8] 李林功.單片機(jī)原理與應(yīng)用—基于實(shí)例驅(qū)動和Proteus仿真[M].2版.北京：科學(xué)出版社，2013.

[9] 韓丹翱， 王菲.DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應(yīng)用性研究[J].電子設(shè)計工程,2013,21(13):83-85.

HAN Dan-ao,WANG Fei.DHT11 digital temperature and humidity sensor applied research [J].Electronic design engineering,2013,21(13):83-85.

[10]劉軍良.WiFi技術(shù)在溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表，35（6）：79-81.

LIU Jun -liang.WiFi technology in the temperature and humidity of the remote monitoring system [J].Automation instrument,35（6）：79-81.

[11]云中華，白天蕊.基于BH1750FVI的室內(nèi)光照強(qiáng)度測量儀[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，(6):27-28.

YUN Zhong-Hua,BAI Tian-rui.Based on BH1750FVI indoor light intensity measuring instrument [J].Microcontroller and embedded systems applications,2012，(6):27-28.

[12]方玉鑫. 基于單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[13]曾慧琴.智能溫度測量系統(tǒng)[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.