水稻育種環(huán)境測控系統(tǒng)的設計

陸彥如，魏海峰

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江，212003)

國內(nèi)外在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境檢測方面的研究已有很多成果，且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用。劉冠雄等[1]根據(jù)環(huán)境溫度、濕度等相關因子，設計了溫室的結構以及加熱加濕裝置，但未涉及到降溫、除濕等，有待進一步優(yōu)化。楊正君[2]針對機房設計了一種基于GPRS的自動溫濕度控制系統(tǒng)，但風機、空調(diào)設備較大，耗能還是較大。寧欣等[3]和邵鵬等[4]介紹了如何監(jiān)測和采集溫濕度，但未提及如何進行相關處理與改善。田芳明等[5]介紹了基于PIC的溫濕度采集系統(tǒng)，采用無線傳輸方式，降低了功耗，節(jié)約了空間，但沒有很好的保證系統(tǒng)的抗干擾性。一些專家針對溫室大棚進行了環(huán)境因素的監(jiān)測研究，但都未具體說明針對采集結果應如何采取措施[6～8]。王海昌等[9]介紹了以PS1016為核心的日光溫室綜合生態(tài)環(huán)境自動化調(diào)控系統(tǒng)，新穎但管理技術難度還是較大。還有一些專家分別采用不同技術與方法，研制了具有溫度自動控制、測量等功能的系統(tǒng)[10～13]，具有較強的穩(wěn)定性、可靠性，但只涉及對溫度的監(jiān)控，未進一步對其它環(huán)境因素進行研究。

水稻育種的整個過程中，對環(huán)境要求較為苛刻，其關鍵就在于控制溫濕度。因此，筆者綜合運用單片機技術、多傳感器信息融合技術、自動控制技術、無線通信技術、計算機技術等新技術，設計一種用于水稻浸種催芽的、新型的環(huán)境溫濕度多路測控系統(tǒng)，滿足當今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，彌補以往水稻在浸種催芽過程中溫濕度難以控制或精度不高的缺點，以期縮短育種時間、促進種子發(fā)芽、提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)的總體設計主要包括：一是系統(tǒng)溫度和濕度采集端設計，二是系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳端設計?？傮w設計大致又可分為三大部分：進行溫濕度采集的從機部分，與從機通信的主控機部分，與主控機相互傳輸數(shù)據(jù)的上位機部分。其中，每個從機都有屬于自身的一個唯一的地址，都先通過無線通信(多對一形式)與主微控制器實行溫濕度值的傳輸，主微控制器再和上位機通過串行口實行溫濕度的傳輸。

圖1為水稻育種房的溫濕度采集端框圖。本系統(tǒng)側重于對水稻育種環(huán)境中的溫度和濕度進行穩(wěn)定的控制，在這個系統(tǒng)(從機部分)中又分為兩部分：輸入和輸出。其中，輸入部分主要是傳感器對溫濕度的采集，初始值的設定；而輸出部分主要是對采集到的溫濕度進行顯示，指示燈、蜂鳴器的響應，相應繼電器的動作反應。因為輸出量反饋到了輸入端，對輸入端產(chǎn)生影響，所以，這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 水稻育種環(huán)境測控系統(tǒng)的溫濕度采集端框圖

如圖2所示，數(shù)據(jù)上傳端，即主控室。溫濕度采集端電路從測量點采集數(shù)據(jù)，然后通過無線傳輸?shù)街鱉CU，主控單片機發(fā)送控制指令，同時對測量結果進行整理并發(fā)送給上位機，從而實現(xiàn)實時的溫濕度的檢測、調(diào)節(jié)和控制。

圖2 水稻育種環(huán)境測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳端框圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

硬件設計分為溫濕度采集端設計和溫濕度上傳端設計兩大部分，都以單片機STC89C52最小系統(tǒng)為核心，數(shù)據(jù)采集部分需要在STC89C52最小系統(tǒng)外圍再配備上溫濕度采集電路、鍵盤輸入電路、顯示輸出電路、無線接收電路、報警電路，數(shù)據(jù)上傳部分需要在STC89C52最小系統(tǒng)外圍再配備上無線發(fā)送電路和串口通信電路。

設計過程：溫濕度傳感器DHT11采集并檢測環(huán)境中的溫濕度后傳輸給單片機STC89C52，然后把所采集到的數(shù)值做處理。一方面，送達液晶顯示屏LCD12864進行顯示，并與事先設置值比較，如采集到的數(shù)據(jù)不在設定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)中的蜂鳴器鳴叫，指示燈點亮，與此同時對應的裝置(加熱電阻絲，降溫風扇，加濕器，除濕器)執(zhí)行自身功能來調(diào)整環(huán)境的溫濕度，直到環(huán)境參數(shù)恢復到設定值為止；另一方面，利用無線通信模塊，通過nRF905芯片接受數(shù)據(jù)，再把溫濕度值傳送到主MCU，然后經(jīng)由串行口傳遞到PC機。

3 系統(tǒng)的軟件設計

軟件設計分為溫濕度采集端程序設計和數(shù)據(jù)接收端程序設計兩大部分，具體分為8個模塊。采用了C語言與匯編語言結合的方式，互相彌補不足，在開發(fā)環(huán)境方面，采用Keil uVision3編譯器。

3.1 主程序模塊設計

首先使單片機系統(tǒng)初始化，然后通過調(diào)用溫濕度測量、鍵盤、液晶顯示、無線收發(fā)等子程序模塊，來完成育種環(huán)境中溫濕度的測量、顯示與處理，然后實時的發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端，若參數(shù)值不在設定范圍內(nèi)則輸出執(zhí)行控制信號(圖3)。實現(xiàn)主控機調(diào)用無線通信子程序接收來自溫濕度采集端發(fā)送來的溫濕度值，以及調(diào)用串口通信子程序把數(shù)據(jù)上傳到上位機(圖4)。

3.2 溫濕度測量模塊設計

通過DHT11采集環(huán)境多個測量點的溫濕度，實時傳遞給分控單片機，以引起液晶顯示屏的顯示、執(zhí)行繼電器的動作、無線通信的接受與傳輸?shù)取?/p>

3.3 鍵盤模塊設計

通過按鍵顯示相關設定值、檢測值和實時的時間，按“1”鍵1次可更改溫度設定值(按“3”鍵實行加的功能，按“4”鍵實行減的功能)，按“1”鍵第2次可更改濕度設定值(同上)，按“2”鍵顯示測量的實時溫濕度值。

圖4 水稻育種環(huán)境測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳端主程序流程

3.4 液晶顯示模塊設計

通過調(diào)用時鐘子程序以及溫濕度測量子程序顯示相應時間、溫濕度設定值、溫濕度測量值等。

3.5 報警模塊設計

結合按鍵程序，通過按鍵程序設定溫濕度初始值，報警程序為設定值上下的一個范圍之外的報警(本次設計中設定上、下波動均為10)。測量得到的溫濕度參數(shù)值位于設定范圍內(nèi)則相關裝置不產(chǎn)生任何輸出控制動作；測量得到的溫濕度參數(shù)值超出范圍，即環(huán)境參數(shù)值異常，則蜂鳴器發(fā)出警報聲并且伴隨著相應指示燈發(fā)光。

圖3 水稻育種環(huán)境測控系統(tǒng)的溫濕度采集端主程序流程

3.6 時鐘模塊設計

由于溫濕度檢測點超過30個，即使在同一環(huán)境下也會有不同情況發(fā)生，本次設計的時鐘信息包括年月日時分秒，并且時鐘程序函數(shù)用于主程序的調(diào)用。

3.7 執(zhí)行輸出模塊設計

當測量的溫濕度值超出設定的初始值，相應的裝置開啟工作模式(升溫、降溫、加濕、除濕)。

3.8 通信模塊設計

無線通信：實現(xiàn)分MCU與主MCU的通信，即接受數(shù)據(jù)采集端(育種房)的信息然后發(fā)送到主控機。

串口通信：采用異步串口通信方式，在數(shù)據(jù)上傳端中完成主控單片機與PC機的數(shù)據(jù)傳輸(利用RS- 232接口，將數(shù)據(jù)按順序逐位傳送給PC機)。

4 實驗測試

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

通過示波器去觀察分析相關波形以排除故障，監(jiān)測結果如圖5所示，以得知繼電器工作狀態(tài)。當檢測到的溫濕度超過或低于設定的初始值，繼電器進入工作狀態(tài)，常開觸點閉合。

4.2 實驗結果

接通電源，按下開始按鍵，進入初始界面，延時幾秒后，可進行溫濕度初始值設定，按下“1”鍵，按1次可更改溫度設定值，按第2次可更改濕度設定值，期間，可按“3”鍵、“4”鍵進行溫濕度設定值的加減操作。

例如，設定溫度初始值為38 ℃，濕度初始值為39%，時鐘初始值為01:13:30。然后按下確定鍵(“2”鍵)，切換顯示界面，顯示檢測到的實時溫濕度，當溫濕度值不在設定范圍內(nèi)則報警系統(tǒng)開啟，并且繼電器開始工作，來控制相應裝置執(zhí)行自身功能使參數(shù)值恢復到初始設定值。如圖6所示，檢測到實時濕度為41%，溫度為31 ℃，當濕度高于設定值，溫度低于設定值，則開啟除濕、加熱模式，而且因為測量值均在設定值±10以內(nèi)，所以報警系統(tǒng)未開啟。

圖5 水稻育種環(huán)境測控系統(tǒng)的繼電器工作界面 圖6 水稻育種環(huán)境測控系統(tǒng)的實驗結果顯示

5 結 論

本次設計圍繞水稻育種環(huán)境測控系統(tǒng)做相關研究，以單片機STC89C52為控制核心，結合DHT11溫濕度傳感器，實現(xiàn)了對溫濕度進行實時數(shù)據(jù)采集并顯示，當采集到的參數(shù)值不在設定范圍內(nèi)系統(tǒng)做出報警反映并采取相應控制措施的功能。該設計具有較強的實時性、抗干擾性、可靠性，在一定程度上提高了經(jīng)濟效益，具有較好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)價值以及市場前景。

[1] 劉冠雄,李愛傳.水稻浸種催芽溫室單片機控制系統(tǒng)的設計[J].民營科技,2015(6):227.

[2] 楊正君.基于GPRS的溫濕度控制系統(tǒng)設計[J].河南科技學院學報,2012,40(6):72- 77.

[3] 寧欣,苗青林,李曉敏.基于單片機的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].河南科技學院學報(自然科學版),2008,36(4):75- 77.

[4] 邵鵬.基于單片機的空調(diào)溫度測試測控系統(tǒng)設計[J].赤峰學院學報(自然科學版),2017,33(4上):30- 31.

[5] 田芳明,楊麗茹,金松海,等.基于PIC單片機的分布式無線溫濕度采集系統(tǒng)[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報,2011,23(1):79- 82.

[6] 王巍,譚峰.溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報,2012,24(4):76- 79.

[7] 李敏,曾明,孟臣,等.溫室大棚單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報,2003,15(1):47- 51.

[8] 張萬里,高偉.AD574在大棚溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)中的應用[J].長春大學學報,2014,249(12):1 648- 1 651.

[9] 王海昌,楊莉.PS1016單片機在日光溫室綜合生態(tài)環(huán)境自動化調(diào)控中的應用研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學學報,1998,18(3):274- 277.

[10] 周正,梁春英,劉坤,等.基于Wi- Fi的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報,2016,28(4):105- 110.

[11] 劉蘇英,許枚.單片機實現(xiàn)溫度自動控制系統(tǒng)研究[J].赤峰學院學報(自然科學版),2012,28(12下):71- 72.

[12] 王憲偉.多點溫度無線測量系統(tǒng)的設計[J].長春大學學報,2005,15(4):11- 13,30.

[13] 于雷.基于單片機的水溫控制系統(tǒng)設計[J].長春大學學報,2011,21(8):28- 30.