基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)

鄭濤 王潔 朱建錫 費焱 徐文碩

摘 要：隨著溫室的大規(guī)模發(fā)展，對溫室智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)提出了更新、更高的要求。在現(xiàn)代智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)中，一個系統(tǒng)能否對溫室環(huán)境參數(shù)進行智能準(zhǔn)確的監(jiān)測和控制，決定了該系統(tǒng)的發(fā)展前景。本文應(yīng)用AT89S52單片機，設(shè)計了一個能對溫室中的二氧化碳濃度、溫度、濕度參數(shù)實現(xiàn)準(zhǔn)確測控的系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的組成部分及各部分中使用的一些主要部件進行簡要說明。

關(guān)鍵詞：單片機；嵌入式系統(tǒng)；溫室環(huán)境；測控系統(tǒng)

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0038-02

Greenhouse Environment Measurement and Control System

Based on Embedded System Technology

ZHENG Tao WANG Jie ZHU Jianxi FEI Yan XU Wenshuo

（Zhejiang Provincial Agricultural Machinery Research Institute，Jinhua Zhejiang 321017）

Abstract： With the large-scale development of greenhouse， the intelligent detection and control system of greenhouse has been updated and higher. In the modern intelligent detection and control system， whether a system can monitor and control the greenhouse environment parameters intelligently and accurately determines the development prospect of the system. In this paper， AT89S52 single-chip microcomputer was used to design a system which could accurately measure and control the parameters of carbon dioxide concentration， temperature and humidity in greenhouse， and the components of the system and some main components used in each part were briefly described.

Keywords： single chip microcomputer；embedded system；greenhouse environment；measurement and control system

1 研究背景

在當(dāng)前現(xiàn)代溫室逐漸呈現(xiàn)出規(guī)?；c集約化發(fā)展趨勢的大背景下[1]，針對溫室智能化管理提出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求。所以，如果想要實現(xiàn)溫室、大棚高產(chǎn)，則需要準(zhǔn)確監(jiān)測溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，包括空氣溫濕度及一氧化碳濃度等。

溫室環(huán)境控制具體指的是在免受外部氣候條件影響的基礎(chǔ)上，借助改變溫室內(nèi)部環(huán)境因子為作物成長提供良好的環(huán)境條件，所涉及的控制技術(shù)由兩部分構(gòu)成，即硬件結(jié)構(gòu)與控制算法。由于單片機控制系統(tǒng)具有能全局管理、操作簡單、價格低廉等一些優(yōu)點，所以其在溫室環(huán)境測控中得到了廣泛應(yīng)用。

2 溫室環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)下位機的核心為ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機，其具備在線調(diào)試功能。應(yīng)用本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測溫室、大棚中的空氣溫濕度及一氧化碳濃度等，并借助串口與上位機和主芯片進行通訊。系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)具體可見圖1。

2.2 系統(tǒng)主芯片

本系統(tǒng)下位機的主芯片是AT89S52單片機。AT89S52單片機作為CMOS 8位微控制器，具有低功耗及高性能的優(yōu)勢，其中的Flash存儲器可以在系統(tǒng)中編程。在設(shè)計中應(yīng)用到了ATMEL公司提供的存儲器技術(shù)，確保了高密度性和非易失性，可以和工業(yè)80C51產(chǎn)品指令與引腳充分兼容。片上Flash能為程序存儲器于系統(tǒng)中編程提供支持，同時也適用于常規(guī)編程器。在單芯片中具備靈巧的8位CPU及在系統(tǒng)可編程Flash，從而保證AT89S52普遍應(yīng)用于多種嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中，其引腳圖如圖2所示。在本系統(tǒng)中，其可以接收、執(zhí)行命令，并根據(jù)圖示箭頭方向進行數(shù)據(jù)流傳輸。

2.3 信號采集部分

本系統(tǒng)需要采集溫室空氣溫濕度與二氧化碳濃度，前者是通過SHT75溫濕度傳感器實現(xiàn)的，后者是通過MG811二氧化碳傳感器實現(xiàn)的。

SHT75溫濕度傳感器（見圖3）中包括電容式聚合體測濕元件及能隙式測溫元件各一個，同時在同一個芯片中和14位A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口電路無縫連接，溫度量程為-40～123.8℃，而濕度量程則是0～100%RH。

SHT75溫濕度傳感器連接在微處理器中，借助C8051F120中的2個I/O接口可以和SCK引腳與DATA引腳連接起來，以達(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的；VDD和3.3V電壓連接。而為了防止出現(xiàn)信號沖突，微處理器需要在低水平下驅(qū)動DATA，因此應(yīng)于I/O電路之下。在DATA引腳中另外加裝上拉電阻，從而可以把信號提拉到高電平之上，并通過10kΩ電阻與3.3V電壓相連接。

MG811二氧化碳傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理。因其對二氧化碳有良好的靈敏度和選擇性，加之受溫濕度的變化影響較小及良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，所以該傳感器被廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量控制、發(fā)酵過程控制和溫室二氧化碳濃度監(jiān)測等方面。MG811二氧化碳傳感器主要面向模擬數(shù)據(jù)進行輸出，應(yīng)借助電流放大電路與轉(zhuǎn)換電路把采集量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，以確保主芯片可以進行有效識別。

2.4 下位機-上位機通信部分

因為本系統(tǒng)是借助上位機監(jiān)測界面來采集控制傳感器數(shù)據(jù)，所以實時通信至關(guān)重要。在系統(tǒng)設(shè)計過程中主要應(yīng)用RS-232串口通信協(xié)議完成通信操作，同時通過MAX232芯片轉(zhuǎn)換電平。RS-232能被應(yīng)用于多方面，如連接打印機、鼠標(biāo)及Modem，而且還能與工業(yè)儀器儀表相連接，主要是實現(xiàn)驅(qū)動以及改進連線。一般來說，RS-232對應(yīng)傳輸長度或是速度都會大于標(biāo)準(zhǔn)值。RS-232只能用于PC串口及設(shè)備之間的點對點通信，最大通信距離約為15m。

2.5 下位機命令輸入與顯示部分

應(yīng)用外設(shè)按鍵能采取外部中斷方式進行命令輸入，通過74HC148優(yōu)先編碼器來編碼按鍵，同時輸入到主芯片中。在實踐應(yīng)用中，為了最大程度地加強交互式功能，系統(tǒng)另外設(shè)置了液晶顯示器對命令執(zhí)行結(jié)果予以顯示，如果傳感器數(shù)值大于警戒值，則LED燈會發(fā)出報警。

74HC148優(yōu)先編碼器為16腳的集成芯片，是一個八線-三線優(yōu)先級編碼器。通常情況下，在優(yōu)先編碼器電路中能支持同時輸入編碼信號2個以上。然而，在設(shè)計優(yōu)先編碼器的過程中，已針對全部輸入信號根據(jù)優(yōu)先級別做出排序。如果同時有兩個及以上輸入信號，則優(yōu)先編碼器根據(jù)優(yōu)先級相對較高的輸入信號進行編碼。

2.6 上位機部分

上位機部分是借助串口和主芯片進行通信，設(shè)有一個可視化界面，具備交互功能。此外，其和數(shù)據(jù)庫相連接，能將歷史數(shù)據(jù)記錄下來，并進行管理。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫室環(huán)境參數(shù)（二氧化碳濃度、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度）的自動化監(jiān)測，并能實現(xiàn)智能化存儲。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、操作方便、成本低廉，完全可以滿足在現(xiàn)代溫室中進行上述三個參數(shù)的監(jiān)測。但是，由于單片機控制結(jié)構(gòu)采用的是集中式控制方式，各種性能都是集中于單片機中，因此，若單片機發(fā)生故障，則整個系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)就會丟失。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳建恩，王立人，苗香雯，等.溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信接口設(shè)計研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003（4）：259-263.