現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

閔 沛，鄭劍鋒，強(qiáng) 浩，曹偉建

（1.江蘇杰克儀表有限公司，淮安 211600；2.常州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，常州 320400）

植物能否健康的生長發(fā)育取決于外部環(huán)境條件，光照強(qiáng)度、溫度、水分、和二氧化碳濃度等是影響植物生長發(fā)育的重要因素[1-3]。大型的溫室控制系統(tǒng)都以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)[4-7]，而本系統(tǒng)采用單片機(jī)為核心控制元件，通過溫度傳感器、土壤濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器檢測植物生長環(huán)境指數(shù)，經(jīng)過單片機(jī)的判斷處理，控制相應(yīng)設(shè)備，協(xié)同工作，創(chuàng)造一個適合植物生長的環(huán)境，本系統(tǒng)還可以在上位機(jī)觀測當(dāng)前或者是過去一段時間里溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并能修改原來設(shè)定的參數(shù)，實現(xiàn)對各溫室的監(jiān)控。

1 溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由上位機(jī)PC端和下位機(jī)監(jiān)控端組成。PC端基于Visual Studio 2010，采用C#語言及MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，定時采集并保存溫度、二氧化碳濃度、土壤濕度及光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測溫室環(huán)境，同時可通過RS485將修改的設(shè)定參數(shù)發(fā)送到監(jiān)控端。監(jiān)控端由單片機(jī)及各類傳感器組成，通過單片機(jī)及傳感器采集溫室內(nèi)的環(huán)境指數(shù)，如溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度。因為在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，整個農(nóng)業(yè)種植區(qū)由多個溫室組成，為了便于監(jiān)控，故采用雙層設(shè)計，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System schematic

監(jiān)控端由多個硬件模塊組成，如顯示模塊、通信模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控端硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware block diagram of monitoring terminal

顯示模塊顯示當(dāng)前溫室內(nèi)的各項環(huán)境因素值，便于人們實時觀察。通信模塊主要負(fù)責(zé)與PC端的聯(lián)系。監(jiān)控端單片機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判定當(dāng)前的控制模塊是否需要啟動，若判定溫度過高，則開啟降溫設(shè)備，溫度過低則打開加熱器；若土壤濕度過低，則開啟噴灌；若光照過強(qiáng)或過弱，可適時調(diào)節(jié)有色玻璃；若二氧化碳濃度過低，則開啟增加二氧化碳的設(shè)備，過高則開啟排風(fēng)扇等。

2 溫室監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控端設(shè)計

下位機(jī)監(jiān)控端是本系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著數(shù)據(jù)的傳送接收、控制器件的開關(guān)及所有溫室環(huán)境參數(shù)的采集與處理。本設(shè)計中，選用STC12C5A60S2單片機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 溫度檢測模塊設(shè)計

植物的生長與溫度有著密不可分的關(guān)系，溫度傳感器負(fù)責(zé)實時采集各個時間點上溫室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，傳遞給單片機(jī)。本系統(tǒng)中選用DS18B20，它不需要與AD相連，直接是數(shù)字量輸出，使用簡單，便于操作。

DS18B20外形像一個三極管，有3個引腳，分別是GND、DQ、VCC，對應(yīng)接地、接單片機(jī)P2.3口、接電源，整個電路如圖3所示。采用外部供電方式，電阻R1起上拉用。

圖3 溫度檢測電路Fig.3 Temperature detection circuit

2.2 光照強(qiáng)度檢測模塊設(shè)計

光照是蔬菜作物光合作用的能源，光照條件的好壞直接影響到作物光合作用的強(qiáng)弱，從而明顯影響到產(chǎn)量的高低。本設(shè)計使用光敏電阻， 選用 STC12C5A60S2，設(shè)計電路如圖4所示，片內(nèi)P1口自帶AD轉(zhuǎn)換，將模擬量送入單片機(jī)P1.1口（IN0）。

圖4 光照強(qiáng)度檢測電路Fig.4 Light intensity detection circuit

2.3 土壤濕度檢測模塊設(shè)計

土壤中的水分對植物的生長非常重要，水分充足才能有利于植物的健康生長，本系統(tǒng)中選用YL-100，連接電路如圖5所示，將模擬量送到單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換口P1.2（IN1）。

圖5 土壤濕度檢測電路Fig.5 Soil moisture detection circuit

2.4 二氧化碳濃度檢測模塊設(shè)計

圖6 二氧化碳濃度檢測電路Fig.6 Carbon dioxide concentration detection circuit

二氧化碳是植物生長的養(yǎng)料，促進(jìn)光合作用，促進(jìn)生長。本系統(tǒng)選用MS4100，連接電路如圖6所示。MS4100的電壓輸出范圍大約在190 mV～510 mV之間，由此特性可知，要對其信號進(jìn)行放大，才能得到所需電壓值。

2.5 顯示模塊設(shè)計

單片機(jī)通過顯示模塊顯示溫室內(nèi)的溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度。根據(jù)顯示設(shè)備可實時了解溫室內(nèi)的環(huán)境指數(shù)，判斷植物的生長狀況。12864 OLCD液晶屏如圖7采用I2C通信，與單片機(jī)連接。

圖7 顯示電路Fig.7 Display circuit

2.6 通信模塊設(shè)計

在本系統(tǒng)中，PC端與多個監(jiān)控端進(jìn)行通信，實時顯示各溫室內(nèi)的4項環(huán)境數(shù)據(jù)。根據(jù)實際情況綜合考慮，對于多個溫室控制，一般溫室位置比較分散，無線通信的距離不能達(dá)到要求，因此本系統(tǒng)采用RS485有線通信方式實現(xiàn)PC端與各監(jiān)控端的通訊。它的最大的通信距離約為1200 m，最大傳輸速率為10 Mb/s。PC端接一個USB/RS485的轉(zhuǎn)換器，每一個監(jiān)控端都要接一個RS485/TTL模塊，其連接如圖8所示。

監(jiān)控端1的RXD接RS485模塊的RO引腳，TXD接RS485模塊的DI引腳，PC端RS485轉(zhuǎn)TTL模塊的A接監(jiān)控端1的RS485轉(zhuǎn)TTL模塊的A，監(jiān)控端1的A再接監(jiān)控端2的A，以此類推。PC端的B引腳，監(jiān)控端的B引腳接法同A引腳一樣。

2.7 繼電器控制及報警模塊設(shè)計

本系統(tǒng)中要控制一些高電壓電器，如果將它直接接入單片機(jī)，會造成單片機(jī)的損壞，故需要通過繼電器將高電壓電器與單片機(jī)電路隔離，其電路如圖9所示。

圖9 繼電器控制電路Fig.9 Relay control circuit

單片機(jī)主要根據(jù)4個傳感器測得的4項環(huán)境指數(shù)，與預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)比較，判斷是否啟動相應(yīng)的繼電器調(diào)節(jié)環(huán)境。系統(tǒng)中用到7組繼電器，主要調(diào)節(jié)功能如表1所示。

表1 繼電器控制功能Tab.1 Relay control function

3 溫室監(jiān)控系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 監(jiān)控端程序設(shè)計

單片機(jī)所占用的I/O口如表2所示。程序初始化后，調(diào)用AD轉(zhuǎn)換程序，將二氧化碳濃度、土壤濕度及光照強(qiáng)度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再調(diào)用測溫子函數(shù)，讀取溫度值，得到4項環(huán)境指數(shù)值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，不在預(yù)定范圍內(nèi)，則報警，相應(yīng)I/O置1，再將測得的值顯示出來，如果接收到通訊命令，則與PC端進(jìn)行通信。其主程序流程如圖10所示。

3.2 PC端軟件設(shè)計

本系統(tǒng)上位機(jī)（PC端）基于Visual Studio 2010，采用C#語言實現(xiàn)。定時采集溫度、二氧化碳濃度、土壤濕度及光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫室的實時監(jiān)控，同時將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

表2 單片機(jī)I/O口分配Tab.2 SCM I/O port allocation

圖10 主程序流程Fig.10 Program flow chart

3.2.1 串口參數(shù)設(shè)計

串口信息設(shè)置區(qū)有串行口號、波特率下拉菜單選擇、校驗位選擇、停止位選擇、打開串口/關(guān)閉串口按鈕，如圖11所示。波特率可選擇范圍為600～460800；校驗位可選擇無校驗、奇校驗、偶校驗、0校驗、1校驗；停止位可選擇1位、1.5位、2位；按鈕觸發(fā)事件為打開或關(guān)閉串口；溫室選擇里可以選擇溫室1～溫室8。開啟實時監(jiān)控就可對當(dāng)前溫室進(jìn)行實時監(jiān)控。

圖11 串口參數(shù)設(shè)計Fig.11 Serial port parameters design

3.2.2 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要分為兩部分，即通過串口查詢某一溫室的數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時顯示以及對各溫室歷史數(shù)據(jù)的顯示。

當(dāng)PC端向監(jiān)控端發(fā)送問詢命令時，監(jiān)控端才給PC端發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)PC端使用Timer控件，定時向監(jiān)控端發(fā)送詢問命令，監(jiān)控端接收到命令就向PC端發(fā)送數(shù)據(jù)。監(jiān)控端發(fā)送11組（溫度，土壤濕度，光照強(qiáng)度，二氧化碳濃度，溫度上限，溫度下限，光照強(qiáng)度上限，光照強(qiáng)度下限，二氧化碳濃度上限，二氧化碳濃度下限，土壤濕度下限）數(shù)據(jù)給PC端。為方便PC端的處理，首先在監(jiān)控端發(fā)送時就對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即將11組數(shù)據(jù)放在一起，以標(biāo)識符左尖括號“＜”開始，標(biāo)識符右尖括號“＞”結(jié)束，每組數(shù)據(jù)以分隔符“|”分隔。PC端接收到這一組數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，顯示界面如圖12所示。

圖12 實時參數(shù)顯示Fig.12 Real-time parameter display

為了顯示歷史數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，將每個溫室內(nèi)測得的4項環(huán)境參數(shù)定時采集，存送到數(shù)據(jù)庫。為此建立的表單主要有兩類：一類用于存儲每個溫室的地址，編號和名稱，表名為Greenhouse，如表3所示，其中address為主鍵；另一類顯示每一溫室的具體參數(shù)，表名為Greenhouse_X，“X”為溫室編號，如表4所示，其中id為主鍵。

表3 Greenhouse信息表Tab.3 Greenhouse database

表4 Greenhouse_X信息表Tab.4 Greenhouse_X database

歷史數(shù)據(jù)采用折線圖顯示，如圖13所示。

圖13 溫室1的歷史數(shù)據(jù)顯示Fig.13 History data of Greenhouse 1

4 結(jié)語

不管是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，還是更加前衛(wèi)的智慧農(nóng)業(yè)，都說明農(nóng)業(yè)自動化是以后農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。本文基于單片機(jī)實現(xiàn)了溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，通過溫度傳感器、土壤濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器等實時采集溫室各參數(shù)，采用RS485通訊方式實現(xiàn)了PC端與各監(jiān)控端的數(shù)據(jù)交互，同時還可以控制相應(yīng)設(shè)備，協(xié)同工作，創(chuàng)造一個適合植物生長的環(huán)境。

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