農(nóng)業(yè)大棚空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉萍萍，郁 軍，崔 煜

（天津德致倫電子科技有限公司，天津 300387）

農(nóng)業(yè)大棚可以種植有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品、名貴苗木，實(shí)現(xiàn)反季種植與精品種植。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率低、信息化程度低。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的自動(dòng)化管理，節(jié)約人力成本。設(shè)計(jì)一種基于Android和Zigbee技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)光照、溫度、濕度等環(huán)境信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。有文獻(xiàn)提出一種基于STM32微處理器的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的智能測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制棚內(nèi)參數(shù)，保持作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定。設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集空氣溫濕度等6個(gè)環(huán)境參數(shù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)研究多關(guān)注于農(nóng)業(yè)大棚的土壤、溫濕度、光照，而對(duì)大棚內(nèi)的空氣質(zhì)量關(guān)注較少。棚內(nèi)多數(shù)空氣污染物對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生極大的危害，部分污染物會(huì)在空氣的滯留很長(zhǎng)時(shí)間，不易消散。文章提出一種農(nóng)業(yè)大棚空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以IAPW4K58S4單片機(jī)為控制核心，包括溫濕度、甲醛、二氧化碳等各種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)部空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)大棚空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，融合多種傳感器檢測(cè)技術(shù)，采用Wi－Fi通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能與遠(yuǎn)程顯示功能。

硬件主要由控制器、數(shù)據(jù)采集、通信、環(huán)境處理四個(gè)方面組成。各個(gè)采集模塊實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)空氣質(zhì)量信息，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后，通過Wi－Fi模塊和手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，手機(jī)屏幕顯示采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)空氣質(zhì)量不符合植物生長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，環(huán)境處理裝置進(jìn)行處理并通知手機(jī)。

1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)所采用IAPW4K58S4單片機(jī)具有74HC 595串入并出電路的功能，且不需要外部晶振，支持在線編程和擁有強(qiáng)大的擴(kuò)展，寬電壓與高速的8通道A/D轉(zhuǎn)換器為應(yīng)用環(huán)境提供了強(qiáng)有力的支撐，也為智能終端收到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)提供保障。

1.2 煙霧傳感器

本設(shè)計(jì)選取MQ－2型號(hào)煙霧傳感器。該傳感器屬于表面離子式N型半導(dǎo)體，采用二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料。當(dāng)模塊處于200～300℃時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度降低，進(jìn)而使其電阻值增加。當(dāng)有煙霧進(jìn)入時(shí)，晶粒間界處的勢(shì)壘會(huì)隨著煙霧濃度變化而變化，引起表面導(dǎo)電率變化。煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率就越大，輸出電阻就越低，輸出的模擬信號(hào)就越大。

1.3 Wi-Fi模塊設(shè)計(jì)

Wi－Fi模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)之間的無線通信。本設(shè)計(jì)采用ESP8266無線通信模塊，該模塊是一款超低功耗的UART－WiFi透?jìng)髂K，擁有小封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。

2 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序包括單片機(jī)處理程序和手機(jī)APP程序。

2.1 單片機(jī)處理程序

單片機(jī)處理程序主要包括采集數(shù)據(jù)處理、環(huán)境處理、Wi－Fi通信程序。

2.2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

安卓程序的設(shè)計(jì)思想是邏輯和視圖分離，因此在布局文件中做界面的編寫。然后把布局整體引入到活動(dòng)中去。本設(shè)計(jì)在界面中設(shè)置IP、端口號(hào)、溫度、濕度、PM2.5濃度、甲醛濃度、煙霧濃度14個(gè)TextView控件和2個(gè)Button控件。其中溫度、濕度、PM2.5濃度、甲醛濃度、煙霧濃度TextView控件用來顯示單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，IP、端口號(hào)TextView控件用來顯示手機(jī)的IP和端口號(hào)。兩個(gè)按鈕控件用來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)停。

套接字編程，又稱socket編程，是APP程序的主要組成部分。該程序主要用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)程通信，及手機(jī)和Wi-Fi模塊間的進(jìn)程通信。

網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)程的流程依次是：（1）創(chuàng)建socket；（2）服務(wù)器監(jiān)聽有沒有客戶端對(duì)其進(jìn)行連接；（3）服務(wù)器等待客戶端對(duì)其連接；（4）服務(wù)器與客戶端連接；（5）通過socket創(chuàng)建輸入流與輸出流，進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)；（6）通信結(jié)束后，關(guān)閉 socket。

3 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的農(nóng)業(yè)大棚空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)利用多種傳感器檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給手機(jī)。預(yù)置空氣質(zhì)量閾值，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，通過環(huán)境處理裝置實(shí)時(shí)控制，達(dá)到保持大棚內(nèi)的空氣質(zhì)量符合作物生長(zhǎng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)為農(nóng)業(yè)大棚的智能化管理提供技術(shù)支撐，具有一定的實(shí)用價(jià)值。