智能綠化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉清華，劉 釗，王 蕾，王承林，袁澤宇

（1邢臺(tái)學(xué)院，河北邢臺(tái) 054001；2河北廣播電視臺(tái)發(fā)射臺(tái)，河北石家莊 051130；3邯鄲海關(guān)，河北邯鄲 056017）

如今計(jì)算機(jī)科技、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，我們將這些技術(shù)應(yīng)用到設(shè)施城市綠化中去，來(lái)達(dá)到植物最接近理想化的生長(zhǎng)環(huán)境。利用全自動(dòng)控制系統(tǒng)，模擬出最適宜的生態(tài)環(huán)境，將外界環(huán)境和氣候變化的影響降到最低。現(xiàn)代化自動(dòng)綠化控制技術(shù)將極大限度地促進(jìn)智慧城市的發(fā)展，其應(yīng)用前景十分廣闊。

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用STC15F2K60S2單片機(jī)，控制實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型植物生長(zhǎng)所需的最科學(xué)合理的環(huán)境，并且可以通過(guò)各類(lèi)傳感器對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集和調(diào)整，以達(dá)到合理控制、科學(xué)生長(zhǎng)和節(jié)約用水的目的。利用程序可以對(duì)單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)按需灌溉的功能，按照植物的需求來(lái)實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的通斷以及灌溉時(shí)間的控制，達(dá)到節(jié)水和科學(xué)生長(zhǎng)的目的，最大限度地節(jié)約資源，提高精確度和安全性，達(dá)到科學(xué)準(zhǔn)確的要求。

1.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STC15F2K60S2單片機(jī)作為主控制芯片，通過(guò)土壤、空氣溫濕度等多個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)光敏傳感器和LCD12864液晶屏配合進(jìn)行顯示，執(zhí)行部分采用繼電器和電磁閥等進(jìn)行控制，利用無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，同時(shí)通過(guò)光敏傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于光照系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)整體硬件框圖如圖1所示。

硬件電路以STC15F2K61S2單片機(jī)為核心，系統(tǒng)輸入由各類(lèi)采集傳感器信號(hào)處理電路組成，顯示部分由光敏傳感器與顯示器組成，通信部分由ESP8266無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)，輸出控制由繼電器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

圖1 系統(tǒng)整體硬件框圖

1.2 控制芯片STC15F2K60S2單片機(jī)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)將STC15F2K60S2芯片作為系統(tǒng)的中央處理器，具體引腳配置如表1所示。

表1 STC15F2K60S2引腳配置

1.3 顯示部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LCD12864型液晶屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，LCD12864電路原理圖如圖2所示，該液晶屏在本系統(tǒng)與單片機(jī)的P4.1～P4.4、P0.0～P0.7接口相連接。

1.4 遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信電路

為了方便用戶(hù)的實(shí)際使用，本系統(tǒng)加入了遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制模塊，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用ESP8266模塊作為通信模塊，ESP8266模塊實(shí)物圖如圖3所示。

ESP8266模塊與單片機(jī)P3.0、P3.1連接，ESP8266是遠(yuǎn)程控制的核心器件，ESP8266模塊電路連接圖如圖4所示。

圖2 LCD12864電路原理圖

圖3 ESP8266實(shí)物圖

圖4 ESP8266電路圖

1.5 繼電器控制電路

土壤濕度傳感器采集的模擬信號(hào)將通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并將該信號(hào)通過(guò)P2.0接口送到繼電器控制三極管基極。電路圖如圖5所示。

圖5 繼電器控制電路

2 溫室大棚遠(yuǎn)程智能控制管理系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)選用的主控制器是單片機(jī)，單片機(jī)軟件主要包括主程序、A/D采樣子程序（濕度傳感器采樣，溫度傳感器采樣）、鍵盤(pán)設(shè)定參數(shù)和顯示等子程序，下面將逐個(gè)介紹相關(guān)程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 系統(tǒng)傳感采集模塊程序設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)傳感器輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理分析并與預(yù)設(shè)參數(shù)限值進(jìn)行比較給予判斷，滿(mǎn)足一定條件則執(zhí)行相應(yīng)控制功能。然后再次進(jìn)行檢測(cè)，執(zhí)行，再次修正，形成一個(gè)閉環(huán)反饋，來(lái)維持整個(gè)大棚內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，傳感控制程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

2.2 系統(tǒng)執(zhí)行部分程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)執(zhí)行部分主要是通過(guò)單片機(jī)接受檢測(cè)信號(hào)之后打開(kāi)相應(yīng)的繼電器控制單元，然后對(duì)應(yīng)的執(zhí)行系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作，傳感部分同時(shí)對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)環(huán)境達(dá)到要求的時(shí)候關(guān)閉繼電器控制單元，執(zhí)行系統(tǒng)停止動(dòng)作。

3 數(shù)據(jù)的測(cè)試與分析

表2 土壤濕度測(cè)試數(shù)據(jù)

分析：經(jīng)過(guò)多次重復(fù)性試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)土壤濕度呈線(xiàn)性變化時(shí)，傳感器輸出電壓同樣為接近線(xiàn)性的曲線(xiàn)，波動(dòng)在±0.1V范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可測(cè)得基本的土壤濕度以完成項(xiàng)目要求。

結(jié)論：通過(guò)對(duì)多個(gè)模塊以及機(jī)構(gòu)的整合，基本達(dá)到預(yù)期的功能，實(shí)現(xiàn)綠化的自動(dòng)控制，環(huán)境可以自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。保證植物始終生長(zhǎng)在適宜環(huán)境中。設(shè)計(jì)從實(shí)際的應(yīng)用出發(fā)，目的在于建立一套完整的遠(yuǎn)程綠化智能控制系統(tǒng)，特別是加入無(wú)線(xiàn)通信部分，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)系統(tǒng)在線(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制管理，方便使用者的統(tǒng)一管理，解放勞動(dòng)力，提高了工作效率。