基于單片機(jī)的溫室大棚智能系統(tǒng)的研究

孫鵬程

摘要：本系統(tǒng)是一種基于單片機(jī)的大棚智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括單片機(jī)控制裝置、PC機(jī)、液晶顯示器、GPRS定位裝置、使用終端、多個(gè)傳感器裝置、ZigBee裝置及繼電器組；單片機(jī)控制裝置分別與PC機(jī)及液晶顯示器連接，單片機(jī)控制裝置與GPRS定位裝置及ZigBee裝置雙向連接，GPRS定位裝置與使用終端連接，ZigBee裝置與繼電器組連接；多個(gè)傳感器裝置分別與單片機(jī)控制裝置連接。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)大棚內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)與分析，提升大棚種植的效率與安全性，把所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的調(diào)控，用戶可通過(guò)手機(jī)、平板等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備查看大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并可對(duì)大棚內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；GPRS；ZigBee裝置；終端；智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）12-0267-03

Abstract： This system is a microcontroller-based intelligent greenhouse control system including microcontroller， PC， LCD display， GPRS positioning device， terminal， a plurality of sensor devices， ZigBee devices and relay group； MCU control device respectively connects with PC and LCD display. Microprocessor control unit connects with GPRS positioning device and a ZigBee device in two-way connection. GPRS connects with terminal. ZigBee device connects with the relay group； a plurality of sensor devices are connected to the microcontroller. Through indicators in the comprehensive evaluation and analysis in the greenhouse，the system can enhance the efficiency and safety of greenhouse cultivation. All monitoring nodes join the network in order to achieve the regulation of the device. The user can view the greenhouses through mobile phones tablet and other networked devices， and the device can be controlled within the greenhouse.

Key words： microcomputer； GPRS； ZigBee device； terminal； intelligent greenhouse control system

1 概述

在我國(guó)，溫室大棚技術(shù)發(fā)展的比較晚。20世紀(jì)60年代，種植農(nóng)作物使用的是塑料大棚。20世紀(jì)70年代的時(shí)候，一些技術(shù)先進(jìn)的溫室設(shè)備從國(guó)外被引入到國(guó)內(nèi)。但是那時(shí)候考慮的并不完全，因?yàn)楣庖M(jìn)溫室設(shè)備是不夠的，像溫室大棚作物的栽培、管理方面的技術(shù)，以及地域、水土、氣候乃至資源的差異也要重視起來(lái)，而且引進(jìn)的溫室能能源消耗太大，以至于這些巨資引進(jìn)的設(shè)施基本上虧損經(jīng)營(yíng)。到了20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)向發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)習(xí)溫室控制技術(shù)這個(gè)過(guò)程之后，人工氣候室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)才漸漸地被我國(guó)的工程技術(shù)人員掌握，可是該技術(shù)所控制的環(huán)境參數(shù)有限，只限于溫度、濕度和二氧化碳濃度這樣的單項(xiàng)環(huán)境因子。到了20世紀(jì)90年代的初期，大型的溫室大棚在我國(guó)的發(fā)展并不樂(lè)觀。在“九五”初期的時(shí)候，建立了“北京中以示范農(nóng)場(chǎng)”，這個(gè)農(nóng)場(chǎng)是以以色列溫室為代表的，于是掀起了國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)溫室技術(shù)第二次學(xué)習(xí)和引進(jìn)的熱潮。到了20世紀(jì)90年代的中后期，經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家溫室設(shè)施配備、品種栽培、栽培技術(shù)等各個(gè)方面有了系統(tǒng)的研究之后，一些具有研究性質(zhì)的環(huán)境控制系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)了，這完全是我國(guó)自主研發(fā)的系統(tǒng)。在1995年的時(shí)候，“WJG-1型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)”被北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出來(lái)了，它是一種小型分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。1996年，基于工控機(jī)來(lái)管理的植物工廠系統(tǒng)又被江蘇理工大學(xué)成功研制出來(lái)了。而且中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院又研發(fā)出了新型的智能溫室系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括：大棚、通風(fēng)降溫系統(tǒng)、存儲(chǔ)太陽(yáng)能系統(tǒng)、燃油熱風(fēng)加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)等。自從1997年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在溫室環(huán)境在自動(dòng)控制技術(shù)方面，也有著不錯(cuò)的成果。

最近幾年，我國(guó)的溫室大棚控制技術(shù)雖然有了不錯(cuò)的發(fā)展，但是仍然有一些問(wèn)題。主要表現(xiàn)在：1）從分布上看，我國(guó)的溫室在北方區(qū)域占大多數(shù)，像東北、華北等這些地方，而其他地區(qū)的溫室數(shù)量就顯得少的多了；2）從結(jié)構(gòu)上看，國(guó)產(chǎn)溫室大多數(shù)都是比較簡(jiǎn)易的，可以附加的設(shè)施也是比較少的，所以保溫效果不是很好，主要是依靠太陽(yáng)光；3）在控制和管理方面，國(guó)產(chǎn)溫室的自動(dòng)化程度不高，主要是靠人力來(lái)調(diào)節(jié)。雖然最近幾年在溫室的自動(dòng)控制方面，國(guó)內(nèi)的一些人對(duì)其進(jìn)行了研究，但是他們主要是對(duì)單個(gè)因子進(jìn)行研究，所以研究的并不全面。

現(xiàn)在，在網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和控制方面，一些相關(guān)的行業(yè)己經(jīng)有了研究，目的是以網(wǎng)絡(luò)化和分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)替代信息封閉、與外界隔離的系統(tǒng)，甚至可以不通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的系統(tǒng)調(diào)控。雖然國(guó)內(nèi)溫室規(guī)模比較有限，還未形成規(guī)模化經(jīng)濟(jì)，而且組建的費(fèi)用也挺高的，但是相信不久的將來(lái)，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網(wǎng)絡(luò)化肯定是一種趨勢(shì)。

發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)代溫室測(cè)控技術(shù)發(fā)展的較早。在1949年，工程技術(shù)在美國(guó)發(fā)展迅速，所以第一個(gè)植物人工氣候室就是在美國(guó)建成的。建立該氣候室是為了研究在自然的條件下，植物的適應(yīng)性和抵抗能力以及在這方面有什么應(yīng)用。到了20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)型的高級(jí)溫室開(kāi)始應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中去，比如第一個(gè)番茄生產(chǎn)工廠在奧地利被建成。20世紀(jì)70年代后，發(fā)達(dá)國(guó)家的溫室園藝發(fā)展的非?？?，溫室設(shè)施不僅在農(nóng)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，而且在畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)這些方面也有著應(yīng)用。幾十年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)是日新月異，發(fā)展的異常迅猛，而且智能控制理論也有著長(zhǎng)足的進(jìn)步。所以將近一百年來(lái)，溫室大棚對(duì)于設(shè)施農(nóng)業(yè)來(lái)說(shuō)，起到了舉足輕重的作用，世界各地都有著溫室大棚的影子。尤其在20世紀(jì)70年代，由于電子科技的迅猛發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，溫室大棚技術(shù)有了根本性的變化。到了80年代，微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格下降，經(jīng)濟(jì)上更能負(fù)擔(dān)起來(lái)。而且人們對(duì)溫室環(huán)境有了更高的要求。在發(fā)達(dá)國(guó)家，溫室調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以智能化的微型計(jì)算機(jī)為核心的。

溫室產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展速度很快。如從80年代到90年代，以色列的溫室更新了三代，換代后的溫室自動(dòng)化的程度高，不僅可以供水，而且還可以施肥等自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境因素。在英國(guó)，溫室的發(fā)展也備受關(guān)注，科學(xué)技術(shù)人員對(duì)溫室的節(jié)能、自動(dòng)化控制、作物栽培及產(chǎn)后處理等方面先后進(jìn)行了研究。2003 年11月，在荷蘭的阿姆斯特丹 RAI展覽館舉行的國(guó)際花卉展覽會(huì)上，來(lái)自世界各國(guó)的 477 個(gè)廠商展示了他們各自的產(chǎn)品和實(shí)力。另外，發(fā)達(dá)國(guó)家的溫室正向越來(lái)越先進(jìn)的方向發(fā)展，像遙測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制局域網(wǎng)這些先進(jìn)的技術(shù)，正逐漸被應(yīng)用到溫室中。

近些年，我國(guó)的設(shè)施農(nóng)業(yè)有了很大的發(fā)展，在溫室大棚中種植農(nóng)作物的技術(shù)，已經(jīng)突破了傳統(tǒng)農(nóng)作物種植受地域 、氣候、自然環(huán)境等各種因素的影響的限制，這對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，有著重大意義。在不適宜植物生長(zhǎng)的季節(jié)或環(huán)境下，溫室能給植物提供更有利的條件和并且增加植物產(chǎn)量。溫室要采用采光材料作為結(jié)構(gòu)材料，采光材料可以部分也可以全部覆蓋大棚。提供生育期、促進(jìn)作物發(fā)育、生長(zhǎng)、預(yù)防蟲(chóng)害以及提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量等是溫室生產(chǎn)的目標(biāo)。而且溫室設(shè)備的主要技術(shù)是對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，該技術(shù)是以提高對(duì)大棚環(huán)境的控制能力和作業(yè)精度為目的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

一種基于單片機(jī)的大棚智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括單片機(jī)控制裝置、PC機(jī)、液晶顯示器、GPRS定位裝置、使用終端、多個(gè)傳感器裝置、ZigBee裝置及繼電器組；單片機(jī)控制裝置的輸出端分別與PC機(jī)及液晶顯示器的輸入端連接，單片機(jī)控制裝置與GPRS定位裝置及ZigBee裝置雙向連接，GPRS定位裝置的輸出端與使用終端的輸入端連接，ZigBee裝置的輸出端與繼電器組的輸入端連接；多個(gè)傳感器裝置的輸出端分別與單片機(jī)控制裝置的輸入端連接，將溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器和二氧化碳濃度傳感器分別安裝在大棚內(nèi)。

上述的基于單片機(jī)的大棚智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中，還包括大棚環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，所述的大棚環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)置在大棚內(nèi)并分別與多個(gè)傳感器裝置連接。大棚環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備包括溫度控制器、濕度控制器、補(bǔ)光裝置及二氧化碳控制器，溫度控制器和溫度傳感器相連接，濕度控制器和濕度傳感器相連接，補(bǔ)光燈和光照度傳感器相連接，二氧化碳控制器和二氧化碳濃度傳感器相連接。PC機(jī)與所述的單片機(jī)控制裝置之間通過(guò)串行總線連接。在大棚的頂部安裝有太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板與單片機(jī)控制裝置電連接。圖1是基于單片機(jī)的大棚智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的連接框圖。

3 具體實(shí)施方案

單片機(jī)控制裝置采用型號(hào)為AT89C52，AT89C52是一個(gè)CMOS 8位單片機(jī)，具有低電壓，高性能的特點(diǎn)，該單片機(jī)內(nèi)有8k bytes的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），其中，F(xiàn)lash只讀程序存儲(chǔ)器可以反復(fù)進(jìn)行擦寫(xiě)。該單片機(jī)的片內(nèi)包含了通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，它的生產(chǎn)采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，并且兼容了標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的指令系統(tǒng)，因此AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52單片機(jī)的引腳有40個(gè)，外部雙向輸入/輸出（I/O）端口有32個(gè)，內(nèi)部含有2個(gè)外中斷口、2個(gè)全雙工串行通信口、2 個(gè)讀寫(xiě)口線以及3個(gè)16位的可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。單片機(jī)AT89C52不僅能夠按常規(guī)的方法進(jìn)行編程，還能夠通過(guò)在線的方式進(jìn)行編程。它把通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行了結(jié)合，尤其是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash存儲(chǔ)器對(duì)開(kāi)發(fā)成本的降低有著至關(guān)重要的作用。

使用DS18B20溫度傳感器采集大棚內(nèi)溫度。DS18B20是一種支持單總線接口的溫度傳感器，可對(duì)大棚內(nèi)溫度的細(xì)微變化做出精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集。DS18B20的測(cè)溫范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃，并且它具有微型化低功耗高性能抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

在DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器被包含在內(nèi)。傳感器完成一次溫度轉(zhuǎn)換之后，就把采集到的溫度值和存儲(chǔ)在TH和TL中的報(bào)警預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷大棚內(nèi)的溫度是否滿足要求并進(jìn)行調(diào)控。而且用戶還能在上位機(jī)界面對(duì)溫度的閾值進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)自動(dòng)把設(shè)定值寫(xiě)入到DS18B20傳感器中。

濕度傳感器所使用的是SHT11貼片型溫濕度傳感器裝置。在同一塊芯片上的電容性聚合體測(cè)濕敏感元件和使用能隙材料制成的測(cè)溫元件被包含在傳感器中，它們和串行接口電路以及14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有縫隙的連接。在標(biāo)定方面，每塊傳感器芯片都是在非常精確的濕度腔室中進(jìn)行的。對(duì)于校準(zhǔn)系數(shù)，它是用于對(duì)內(nèi)部信號(hào)校準(zhǔn)方面上，并且在OTP 內(nèi)存中是以程序形式進(jìn)行儲(chǔ)存的。外圍系統(tǒng)集成之所以變得簡(jiǎn)單而快速，是因?yàn)閮?nèi)部的電壓調(diào)整和兩線制的串行接口的使用。

對(duì)于光照強(qiáng)度傳感器，使用的是BH1750FVI傳感器。該傳感器是一種數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，應(yīng)用了兩線式串行總線接口；它具有很高的光分辨率，能夠?qū)^大范圍的光照強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)。該傳感器的測(cè)量范圍是1～655351x，對(duì)亮度的測(cè)量精確度達(dá)到了llx，而且測(cè)量范圍比較廣；它的輸出可以直接以數(shù)字方式進(jìn)行，這樣既省略了繁瑣的計(jì)算，還省略了標(biāo)定，而且還有大輸入范圍和對(duì)光源的弱依賴性等特點(diǎn)。

對(duì)于二氧化碳濃度傳感器，使用的是MG-811，MG-811對(duì)二氧化碳有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響較小，有著良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性。其濕度測(cè)量范圍為20%～70%，溫度測(cè)量范圍為0～50℃，測(cè)量精度為8%，完全符合本系統(tǒng)的需求。

大棚環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備包括溫度控制器、濕度控制器、補(bǔ)光裝置及二氧化碳控制器，所述的溫度控制器與所述的溫度傳感器連接，濕度控制器與所述的濕度傳感器連接，補(bǔ)光燈與所述的光照強(qiáng)度傳感器連接，二氧化碳控制器與二氧化碳濃度傳感器連接。溫度控制器、濕度控制器、補(bǔ)光裝置及二氧化碳控制器可以采用現(xiàn)有技術(shù)的控制設(shè)備，對(duì)于補(bǔ)光裝置，可以在大棚頂上安裝卷簾機(jī)、遮陽(yáng)網(wǎng)以及在大棚內(nèi)安裝補(bǔ)光設(shè)備（如：日光燈）。當(dāng)光照強(qiáng)度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，啟動(dòng)卷簾機(jī)打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)，來(lái)降低光強(qiáng)；當(dāng)光照強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，打開(kāi)補(bǔ)光設(shè)備，增強(qiáng)大棚內(nèi)的光強(qiáng)。

PC機(jī)與單片機(jī)控制裝置之間通過(guò)串行總線相連接，RS-232接口應(yīng)用在PC機(jī)的串行口上。因?yàn)閱纹瑱C(jī)控制裝置的串行口電平是TTL電平，所以需要將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平才能實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串行通信。因此，采用了MAX232芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換之后，將單片機(jī)控制裝置中的數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣就連接了PC機(jī)和單片機(jī)控制裝置。圖2是通信鏈路圖。

在大棚的頂部安裝有太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板與單片機(jī)控制裝置相連接，由于大棚一般位于光照充足的地域，所以可以充分利用當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源，節(jié)約了電力資源。可以將太陽(yáng)能電池板固定在大棚頂上，這樣在陽(yáng)光充足的情況下，可以充分搜集太陽(yáng)能資源，節(jié)約了電能。當(dāng)遭遇連續(xù)陰雨天氣時(shí)，可以使用蓄電池或鋰電池來(lái)供電。其中，ZigBee系統(tǒng)可以在低功耗模式下運(yùn)行，所以可以用堿性電池進(jìn)行供電。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，從而提高了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

綜上所述，本系統(tǒng)綜合利用多傳感器數(shù)據(jù)融合、遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、ZigBee組網(wǎng)、移動(dòng)終端控制等關(guān)鍵技術(shù)，允許授權(quán)用戶通過(guò)多種移動(dòng)終端（如手機(jī)、平板電腦等）隨時(shí)掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制目的；采用多傳感器融合技術(shù)，對(duì)大棚內(nèi)的二氧化碳濃度、溫度、濕度、光強(qiáng)值數(shù)據(jù)多角度全方位進(jìn)行搜集，可通過(guò)LCD液晶顯示，使用戶獲得直觀的數(shù)據(jù)資料。通過(guò)對(duì)多項(xiàng)參數(shù)的調(diào)控，增強(qiáng)農(nóng)作物進(jìn)行光合作用的能力；采用遠(yuǎn)程無(wú)線通信方式，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及高效性。

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