氣象要素監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛風(fēng)國(guó) 隋丹 黃清治 滕潘

摘要：選取ATmega128單片機(jī)作為主控芯片，開發(fā)了一種價(jià)格便宜、功能夠用、安裝操作簡(jiǎn)單的溫室農(nóng)業(yè)氣象要素監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，一方面用于溫室環(huán)境溫濕度等要素的監(jiān)測(cè)；另一方面用于溫室環(huán)境溫濕度預(yù)警，靈活性和實(shí)用性強(qiáng)。在0～50℃范圍內(nèi)，氣溫和地溫分辨力高于0.1℃，準(zhǔn)確度高于0.5℃。在0～50℃范圍內(nèi)，空氣濕度分辨力達(dá)到1%，在≤80%時(shí)，準(zhǔn)確度達(dá)到6%；在≥80%時(shí)，準(zhǔn)確度達(dá)到9%。該系統(tǒng)對(duì)溫室氣象要素進(jìn)行較高密度采集，對(duì)各要素進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)要素超出設(shè)定的范圍時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警以提示進(jìn)行人工干預(yù)，保障溫室作物良好生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：Atmega128；監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)；高密度采集；自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0293-03

1 背景

溫室大棚的溫度和濕度是直接關(guān)系作物生長(zhǎng)的兩個(gè)重要因素，其中最高溫度、最低溫度、晝夜溫差、濕度是重要觀測(cè)要素，農(nóng)戶通過(guò)所掌握的這些數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行人工干預(yù)，以保障作物的良好生長(zhǎng)[1-2]。溫室農(nóng)業(yè)氣象要素的自動(dòng)觀測(cè)、監(jiān)測(cè)、預(yù)警，可以準(zhǔn)確掌握溫室環(huán)境下氣溫、地溫、濕度等各氣象要素的實(shí)時(shí)情況，給溫室作物提供一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，擺脫外界惡劣氣候和四季變化，防治病蟲害[3-4]。24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室環(huán)境的變化，為科學(xué)人工干預(yù)溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境提供技術(shù)支撐，更好地為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和高效農(nóng)業(yè)服務(wù)，勞動(dòng)的高效轉(zhuǎn)化提供氣象方面保障，使對(duì)溫室環(huán)境的把握更有科學(xué)性、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、準(zhǔn)確性，改進(jìn)傳統(tǒng)人工觀測(cè)準(zhǔn)確性，并且提高采集密度，減小觀測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度[5]。

針對(duì)大規(guī)模農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本較高的問(wèn)題，開發(fā)了一種價(jià)格便宜、功能夠用、安裝操作簡(jiǎn)單的基于單片機(jī)溫室農(nóng)業(yè)氣象要素監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于較小規(guī)模、中低檔溫室。一方面可以用于溫室環(huán)境溫濕度等要素的監(jiān)測(cè)；另一方面還可以用于溫室環(huán)境溫室的預(yù)警，靈活性和實(shí)用性強(qiáng)，為人工干預(yù)溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境，保障溫室作物良好生長(zhǎng)，具有重要意義，值得產(chǎn)品化推廣。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方案

該系統(tǒng)由單片機(jī)、存儲(chǔ)器、電源模塊、傳感器、液晶顯示、聲光報(bào)警模塊和紅外遙控部分組成，如圖1所示。以ATmega128單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)溫濕度傳感器對(duì)三個(gè)不同深度的土壤溫度和空氣溫度、空氣濕度信號(hào)進(jìn)行采集，當(dāng)檢測(cè)到的溫濕度數(shù)值超出設(shè)置值時(shí)，報(bào)警器啟動(dòng)開始報(bào)警。通過(guò)AT24C512存儲(chǔ)芯片來(lái)存儲(chǔ)歷史數(shù)值，以便進(jìn)行查詢。該系統(tǒng)用市電供電，通過(guò)變壓、整流、濾波和LM7805穩(wěn)壓將220V交流電轉(zhuǎn)化為5V的直流電，提供整個(gè)系統(tǒng)的電源。通過(guò)紅外遙控器按鍵進(jìn)行設(shè)置、查詢、切換、修改日期、時(shí)間和報(bào)警閾值，方便農(nóng)戶使用。

根據(jù)黑龍江當(dāng)?shù)販厥业膶?shí)際情況，確定該監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，地溫和空氣溫度的監(jiān)測(cè)范圍為0～50℃，分辨力小于0.1℃，誤差小于0.5℃?？諝鉂穸鹊谋O(jiān)測(cè)范圍為0～50℃，分辨力小于1%，在≤80%時(shí)誤差小于6%；在≥80%時(shí)，誤差小于9%。地溫傳感器選擇DS18B20，空氣溫濕度傳感器選擇SHT10，設(shè)計(jì)了集一總線式數(shù)據(jù)采集技術(shù)、紅外線遙控技術(shù)于一體的地溫、氣溫和濕度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。對(duì)空氣溫度、空氣濕度、地面溫度、5cm地溫、10cm地溫、實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，每20秒讀取測(cè)量結(jié)果，每15分鐘保存一次數(shù)據(jù)。采用AT24C512數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，用來(lái)保存2個(gè)月的數(shù)據(jù)以便隨時(shí)查詢。采用紅外遙控技術(shù)對(duì)數(shù)值參數(shù)和時(shí)間參數(shù)的設(shè)置修改。溫室的空氣濕度大，如果不采取措施，可能會(huì)使系統(tǒng)短路甚至燒毀某些部件，同時(shí)會(huì)使印制電路板的絕緣性變差。所以要加強(qiáng)系統(tǒng)的密閉性以應(yīng)對(duì)高濕度對(duì)電子設(shè)備部件的腐蝕的挑戰(zhàn)，保證電路處于良好的工作環(huán)境。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片、傳感器等電路元器件的選擇

選取ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega128單片機(jī)作為主控芯片，該單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的8位系列單片機(jī)中配置最高的一款，穩(wěn)定性極高，應(yīng)用極其廣泛。

DS18B20是9～12位分辨率的數(shù)字溫度傳感器，同一總線上可連接多個(gè)DS18B20，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。SHT10采用CMOSens技術(shù)，輸出全量程標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，是有出色可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的溫濕度傳感器，功耗超低，響應(yīng)迅速，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。為使自身發(fā)熱溫升小于0.1℃，SHT10的激活時(shí)間不超過(guò)10%。顯示模塊采用12864液晶顯示，可完成漢字、圖形和字符的顯示。

AT24C512是ATMEL公司推出的I2C 總線E2PROM，容量達(dá)512Kbit，必須嚴(yán)格遵守I2C總線傳輸協(xié)議，I2C總線以復(fù)雜的時(shí)序及軟件編程換取硬件接口的簡(jiǎn)單。該芯片與單片機(jī)構(gòu)成低成本、高可靠性的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。

紅外接收管采用338H紅外接收頭，其內(nèi)有全制程前置放大集成電路和高速PIN光電二極管，工作電壓為4.5V-5.5V，靈敏度高，抗光干擾和抗電磁干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類家電和電子設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控。

為提高系統(tǒng)精度，電阻、電容、電感等電子元器件盡量使用同一批次，采用貼片式封裝電子元器件，用Protel 99 SE繪制電路原理圖和PCB圖。

3.2 電路的搭建

3.2.1電源電路

如圖2所示，系統(tǒng)所需的5V直流電壓通過(guò)采用 LM7805穩(wěn)壓后提供，將220V市電經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波和LM7805穩(wěn)壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電。

3.2.2 聲光報(bào)警電路

如圖3所示，當(dāng)溫室溫濕度超出系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警值上下限時(shí)，ATmega128驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮報(bào)警指示燈，同時(shí)通過(guò)三極管Q1驅(qū)動(dòng)蜂鳴器；當(dāng)環(huán)境溫度恢復(fù)到系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警值上下限內(nèi)時(shí)，聲光報(bào)警自動(dòng)解除。

4 軟件設(shè)計(jì)

如圖4所示，該系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思路，C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上電后單片機(jī)主程序調(diào)用初始化子程序完成對(duì)I/O口、12864、AT24C512初始化，初始化結(jié)束后，調(diào)用參數(shù)設(shè)置子程序，可通過(guò)遙控器對(duì)日期、時(shí)間、溫濕度上下限值進(jìn)行設(shè)置，并在12864上顯示相應(yīng)信息。設(shè)置完成后自動(dòng)進(jìn)入溫濕度檢測(cè)子程序，將傳感器采集的溫濕度通過(guò)12864液晶顯示，同時(shí)與設(shè)置的上下限值進(jìn)行對(duì)比，若超限則驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警，之后返回主程序重新檢測(cè)溫濕度值，如此循環(huán)。

5 測(cè)試結(jié)果

5.1 地溫和氣溫測(cè)試調(diào)試

在0～50℃范圍內(nèi)，將恒溫恒濕箱溫度值均為分成0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃測(cè)試點(diǎn)，等待10分鐘，待恒溫恒濕箱的標(biāo)準(zhǔn)器溫度值穩(wěn)定后，其中每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)等間隔同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)器和預(yù)警儀10次測(cè)量值，將預(yù)警儀三個(gè)地溫值、氣溫值跟標(biāo)準(zhǔn)器值進(jìn)行比對(duì)。依次改變恒溫恒濕箱溫度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。對(duì)預(yù)警儀進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，各測(cè)試點(diǎn)的各傳感器對(duì)應(yīng)的溫度值如表1所示。通過(guò)表1可以看到3個(gè)地溫和氣溫的測(cè)量精度達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5.2 濕度測(cè)試調(diào)試

在35%RH和90%RH之間分別將35%RH、45%RH、55%RH、65%RH、75%RH、80%RH、90%RH作為測(cè)試點(diǎn)，待恒溫恒濕箱中露點(diǎn)儀的度數(shù)穩(wěn)定后，以恒溫恒濕箱中露點(diǎn)儀的濕度輸出作為標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行10次等間隔數(shù)據(jù)采集，改變濕度箱濕度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，系統(tǒng)的空氣濕度在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如表2所示。通過(guò)表2可以看到空氣濕度的測(cè)量精度達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)成本低，精度較高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作便捷，能夠滿足農(nóng)戶的基本需求。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，智能化程度還有很大的提升空間，同時(shí)還可以對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，如增加土壤水分、光照強(qiáng)度、CO2等環(huán)境因子檢測(cè)；增加上位機(jī)通信，通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)歷史數(shù)值進(jìn)行分析處理，更好地掌握氣象環(huán)境因子與農(nóng)作物生長(zhǎng)規(guī)律的關(guān)系，這也是高效農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的內(nèi)在要求。

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