智能溫室環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計

韓鑫 王博 郭青青 劉思雨 徐柯 劉忠富

摘要：隨著傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，采用現(xiàn)代傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行無線傳輸信息，對于農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測具有一定的應(yīng)用價值。本文以單片機STC15F2K60S2為核心，通過將光照強度傳感器、溫濕度傳感器、CO2傳感器整合在一個系統(tǒng)中，來實現(xiàn)對溫室大棚的監(jiān)測和報警，并將數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳送到監(jiān)控室。通過對環(huán)境的監(jiān)測與控制來提高作物產(chǎn)率和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；單片機STC15F2K60S2；溫濕度傳感器；CO2傳感器

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)識碼：B

Design of intelligent greenhouse environment sensing system

HAN Xin， WANG Bo， GUO Qingqing， LIU Siyu， XU Ke， LIU Zhongfu

（College of Information & Communication Engineering， Dalian Minzu University， Liaoning Dalian 116600，China）

Abstract： With the development of sensor technology and Internet of things， using modern sensors and Internet of things technology for wireless transmission of information could have a certain application value on the agricultural greenhouse environmental monitoring. This article uses the MCU STC15F2K60S2 as the core integrating the light intensity sensor， temperature and humidity sensors， CO2 sensors in a system， to achieve the greenhouse monitoring and alarm. And transfer the data to the duty room. The research fruits could improve crop yield and economic benefit by monitoring and controlling the environment.

Keywords： greenhouse；STC15F2K60S2； temperature and humidity sensor； carbon dioxide sensor

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的迅速增長，農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)越來正日益受到廣泛重視，農(nóng)業(yè)溫室基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展迅速，但是在自動監(jiān)控方面仍存在著諸多問題。大多數(shù)溫室大棚采用的都是人工管理模式，種植產(chǎn)品單一，在環(huán)境管理上也并未形成完備優(yōu)勢。相應(yīng)地，智能溫室環(huán)境感知系統(tǒng)卻可以獲取人工管理中精細易忽略或未能感知到的環(huán)境指數(shù)變化，而且將其作為調(diào)整溫室環(huán)境各項指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，從而優(yōu)質(zhì)發(fā)揮其理想控制實效作用。

基于此，本文即通過有針對性地將光照強度傳感器、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器整合在一個系統(tǒng)中，該系統(tǒng)能夠?qū)厥掖笈飪?nèi)影響作物生長速度的重點關(guān)鍵項因素進行全程監(jiān)控，同時還可對監(jiān)測項數(shù)據(jù)提供顯示和傳送功能，另外也附配有報警提示，進而升級改進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

溫室中，光照強度、溫濕度、CO2濃度對農(nóng)作物的生長呈現(xiàn)有多方面影響，本次設(shè)計主要致力于將提高農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量、同時也要一并減少人力資源作為研發(fā)目的，也就是在對溫室環(huán)境進行檢測監(jiān)控中來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，使各項指數(shù)更適合作物生長。研究成果具體用于完善溫度、濕度、光照度以及二氧化碳濃度檢測技術(shù)，用以滿足對溫室大棚建設(shè)的只能需要。概括來講，就是采用STC15F2K60S2單片機作為主控芯片，驅(qū)動溫濕度傳感器AM2302、光照強度傳感器GY-30和CO2濃度傳感器MH-Z14檢測數(shù)據(jù)，在2.2TFT屏上顯示數(shù)據(jù)和報警。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本設(shè)計用于溫室大棚環(huán)境指數(shù)檢測、監(jiān)控和報警。硬件電路通過STC15F2K60S2單片機將各種傳感器集成到一個系統(tǒng)中來獲得各種功能實現(xiàn)，主要電路組成有溫濕度檢測電路、光照強度檢測電路、CO2濃度檢測電路、顯示電路、報警電路、按鍵電路、電源電路和無線傳輸電路。系統(tǒng)硬件設(shè)計構(gòu)成如圖1所示。由圖1可知，電路設(shè)計中各組成部分的運行原理過程可做闡釋分述如下。

2.1 主控芯片電路設(shè)計

設(shè)計中，采用的STC15F2K60S2芯片是高速、可靠、抗干擾強的新一代單時鐘單片機，而且運行速度較快。這是由宏晶科技生產(chǎn)的51單片機，工作電壓在3.8～5.5V之間。晶振采用12MHz頻率。在實際應(yīng)用時，晶振電路中的電容需要和晶振的大小實現(xiàn)匹配。濾波旁路電容則是置遇主控芯片的旁邊，用于過濾清除最后的干擾紋波。

2.2 電源電路設(shè)計

本文電源設(shè)計部分是直接連入220V的交流電，對電源的研發(fā)包括2個部分：交流電轉(zhuǎn)直流和直流電源的處理。

其中，交流轉(zhuǎn)直流電部分是單端反激式電源電路，單端反激開關(guān)電源采用了穩(wěn)定性良好的雙環(huán)路反饋控制系統(tǒng)，可以通過開關(guān)電源的PWM（脈沖寬度調(diào)制器）迅速調(diào)整脈沖占空比，從而在每一個周期內(nèi)對前一個周期的輸出電壓和初級線圈充磁峰值電流進行有效調(diào)節(jié)，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。對應(yīng)電路實現(xiàn)如圖2所示。

電源電路根據(jù)系統(tǒng)的不同要求輸出2個電壓電路，分別為輸出5V穩(wěn)壓電路和3.3V穩(wěn)壓電路。交流電壓經(jīng)過處理得到5V穩(wěn)壓直流電，再從5V電壓中得到3.3V電壓提供給主控單元電路。

2.3 溫濕度檢測電路設(shè)計

溫濕度傳感器芯片以單總線輸出數(shù)據(jù)傳到主控單元，并經(jīng)由程序化后再發(fā)送到顯示屏來展現(xiàn)最終結(jié)果，該過程是以AM2302為核心完成主體電路設(shè)計。其工作電壓為3.3～6V，配置有單線制串行接口，主要應(yīng)用于數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)中。設(shè)計電路如圖3所示。

2.4 光照強度檢測電路設(shè)計

光照強度的測量是通過核心芯片GY-30來構(gòu)建設(shè)計方案。GY-30采用總線的方式而與單片機之間實現(xiàn)串行通信，工作電壓為3～5V，并且配有內(nèi)置照度數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可直接輸出光照強度數(shù)字。該測量電路如圖4所示。

2.5 CO2濃度檢測電路設(shè)計

MH-Z14A二氧化碳氣體傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對溫室內(nèi)的CO2濃度進行檢測。該芯片工作電壓為4-6V，并提供有3種輸出方式：模擬電壓輸出、PWM波形輸出和UART輸出。MH-Z14A內(nèi)置溫度傳感器用于溫度補償。實際電路如圖5所示。

2.6無線傳輸電路設(shè)計

采集到的環(huán)境各項指數(shù)需要通過無線傳輸模塊傳送到接收室，完成無線傳輸?shù)男酒荖RF24L01。該芯片工作電壓為1.9～3.6V，其傳輸速率可達2Mbps，傳輸速度非?？?。NRF24L01可以和各種型號的單片機配合使用，軟件編程簡單便捷。具體電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)研發(fā)時，軟件設(shè)計包括2部分：發(fā)送端設(shè)計和接收端設(shè)計。發(fā)送端為重點設(shè)計模塊，不能能夠定制支持傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示，而且通過無線模塊傳輸，還具有報警功能。接收端則是規(guī)劃完成無線接收及顯示功能。

3.1 發(fā)送端程序設(shè)計

當(dāng)發(fā)送端初始化運行結(jié)束后，單片機將驅(qū)動CO2濃度傳感器、溫濕度傳感器、光照強度傳感器采集數(shù)據(jù)，并將計算后的數(shù)據(jù)反饋給單片機進行處理。系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一個中斷信號，從而轉(zhuǎn)入LCD的初始化設(shè)置。單片機處理后的數(shù)據(jù)就會發(fā)送到TFT顯示屏，還會經(jīng)由無線傳輸模塊發(fā)出。用于發(fā)射的模塊在發(fā)生初始化之后，則會接收到單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)并存入數(shù)組tx_buf，NFR24L01模塊接收后發(fā)送該數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)。并且在判斷數(shù)據(jù)超出范圍后即會發(fā)出報警。發(fā)送端的軟件程序流程如圖7所示。

3.2 接收端程序設(shè)計

接收端程序設(shè)計主要是NRF24L01無線傳輸?shù)慕邮眨到y(tǒng)初始化配置NRF24L01信道工作頻率2.4GHZ，發(fā)射速率為1MHZ。接收模塊進入接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，通過讀取狀態(tài)寄存器來判斷是否接收到數(shù)據(jù)。如果未接收到數(shù)據(jù)，顯示屏顯示預(yù)設(shè)的固定值；如果已接收到，則顯示正在接收的數(shù)據(jù)。無線接收程序流程如圖8所示。

4 結(jié)束語

在本設(shè)計中，使用傳感器檢測溫室大棚內(nèi)的溫濕度、光照強度和CO2濃度，并通過無線傳輸傳送數(shù)據(jù)，再運用顯示屏執(zhí)行結(jié)果展示。整個過程即是依據(jù)目標(biāo)任務(wù)提出了具體的設(shè)計方案并集結(jié)了一系列硬、軟件關(guān)鍵技術(shù)，從而最終實現(xiàn)了溫室環(huán)境系統(tǒng)的有效監(jiān)測。不僅做到了通過數(shù)據(jù)的直觀顯示，而且同時配有蜂鳴器報警系統(tǒng)，因而本次功能設(shè)計可以成功應(yīng)用于溫室大棚的智能檢測。

參考文獻：

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