多傳感器環(huán)境下的溫室藍莓智能控制系統(tǒng)研究

吳亞榕 陳紹基 李鍵紅

摘要 針對藍莓生長的溫度、濕度、光照強度及培養(yǎng)液pH等環(huán)境要素，介紹了一種基于AT89C51單片機的集溫濕度傳感器、光照強度傳感器及液體pH傳感器等多傳感器的溫室藍莓智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備多傳感器數(shù)據(jù)采集、模擬/數(shù)字信號轉換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、ZigBee無線通信、LCD顯示、在允許誤差范圍內自動調節(jié)控制溫室藍莓生長環(huán)境要素等功能，可為溫室藍莓提供適宜的生長環(huán)境，有利于節(jié)省人力、物力和成本，并能提高藍莓的產(chǎn)量。

關鍵詞 多傳感器;溫室;藍莓;AT89C51;智能控制系統(tǒng)

中圖分類號 S126文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）14-0228-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.067

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract Aiming at four environmental factors for blueberry growth， including temperature， humidity， illumination and pH of culture medium， this paper introduced a blueberry intelligent control system of greenhouse based on AT89C51 single chip microcomputer， which included temperature and humidity sensor， illumination sensor and pH sensors.This intelligent system had the functions of multisensor data acquisition， analog/digital signal conversion， data processing， data storage， ZigBee wireless communication， LCD display， automatic adjustment and control of greenhouse blueberry growth environment elements within the allowable error range and other functions， which provided blueberry with suitable growing environments and was favorable for saving manpower， material cost， safeguard and increase blueberry output.

Key words Multiple sensors;Greenhouse;Blueberry;AT89C51;Intelligent control system

作者簡介 吳亞榕（1982—），女，湖南常德人，助理研究員，碩士，從事農(nóng)業(yè)科技信息與電氣技術、科技成果轉化評價、圖像處理和機器學習研究。

收稿日期 2019-04-18

藍莓作為世界糧農(nóng)組織推薦的五大健康水果之一，深受國內外民眾的喜愛[1]。為了提高藍莓的產(chǎn)量，我國溫室藍莓種植技術已經(jīng)取得一定進展，但在溫室藍莓智能控制系統(tǒng)方面尚有較大空白。溫室藍莓生長的四大環(huán)境要素包括溫度、濕度、光照強度及培養(yǎng)液pH[2-3]。筆者針對藍莓生長的四大環(huán)境要素開展系統(tǒng)性研究，以AT89C51單片機為中央處理單元，用ZigBee無線通信技術連接溫濕度傳感器、光照強度傳感器及液體pH傳感器等多個傳感器，打造“低成本、低能耗、安全可靠”的溫室藍莓智能控制系統(tǒng)，旨在為藍莓生長提供“長期穩(wěn)定適宜的溫室環(huán)境”，節(jié)省人力并提高生產(chǎn)效率。

1 硬件搭建

首先，遵照“低成本、低能耗、安全可靠”的原則設計系統(tǒng);其次，對系統(tǒng)的可擴展性也應予以重視，可擴展性高有利于后期整個系統(tǒng)的更新升級，從而節(jié)省人力、物力、財力;另外，藍莓對環(huán)境變化比較敏感，所以智能控制系統(tǒng)的控制精度要有保證，特別是培養(yǎng)液pH應嚴格控制好，才有利于藍莓的健康生長。系統(tǒng)硬件整體結構如圖1 所示。

1.1 中央處理單元

該系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為中央處理單元[4-7]。ATMEL公司的AT89C51單片機可以反復編程1 000次以上，這是因為它具有可以擦除1 000次以上的可擦除只讀存儲器。該單片機采用ATMEL高密度非易失性存儲器制造技術，與輸出引腳兼容，并且在MCS-51指令的行業(yè)標準下制造。AT89C51單片機是一款高效的微型控制器，核心由一個多功能的8位CPU和閃存芯片構成，可以給大多數(shù)嵌入式控制系統(tǒng)提供一種靈活、性價比高的解決方案，其中AT89C051是其精簡版。

1.2 無線通信模塊 該系統(tǒng)采用ZigBee無線通信模塊連接中央處理單元及四大傳感器，拋除有線電纜的束縛，節(jié)省整個系統(tǒng)的占用空間，方便簡潔[8-9]。ZigBee無線通信技術是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，于2001年8月正式成立。ZigBee無線通信技術和藍牙無線通信技術相類似，都是短距離無線通信技術，但藍牙無線通信技術存在許多缺陷，如功耗大、復雜度高、通信距離短等，只適合家庭、個人使用。ZigBee技術的開發(fā)是為了滿足工業(yè)自動化的需求，布局簡單，抗干擾，傳輸可靠，使用方便，低成本，通信距離在空曠距離達數(shù)百米，在室內通信距離可達50 m。

1.3 溫度傳感器

溫度的測量由DS1820溫度傳感器負責，并通過ZigBee無線通信模塊發(fā)送到單片機。作為世界上第一個支持“單線總線”接口的溫度傳感器，DS1820具有單線總線的獨特且性價比高的特點，給測量系統(tǒng)的構建提供了一個新概念，設計者能夠很容易地構建傳感器網(wǎng)絡，并進行溫度測控系統(tǒng)的構建。它可以應用在溫度范圍為-55～ 125 ℃的環(huán)境中，在常見溫度環(huán)境（-10～ 85 ℃）時，其測量誤差不超過±0.5 ℃。對于藍莓生長環(huán)境而言，該精度符合該溫室藍莓智能控制系統(tǒng)的要求。

1.4 濕度傳感器

濕度的測量由線性電壓輸出式集成濕度傳感器HIH3605負責，并通過ZigBee無線通信模塊發(fā)送到單片機。濕度傳感器HIH3605需由恒壓電源供電，只有這樣，它才能輸出與相對濕度呈比例關系的線性電壓信號，并由內置放大電路將電壓信號放大并傳送到系統(tǒng)CPU進行計算、處理。HIH3605的抗污染特性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下使用且不影響測量濕度的準確性;同時，它響應速度快，可基本實現(xiàn)實時測量所在環(huán)境的濕度;另外，由于它的重復性能好，使用壽命長，可供長時間使用。

1.5 光照強度傳感器

光照強度的測量由光照強度傳感器PGM5506負責。該元器件是一種光電晶體管，其電阻值大小隨所在環(huán)境的光照強度變化而變化，在恒定的輸入電壓條件下輸出與光照強度呈比例關系的線性電壓信號，供CPU計算、讀數(shù)，其峰值靈敏度波長為540 nm。

1.6 pH傳感器

pH的測量由pH傳感器PH-BTA負責，并通過ZigBee無線通信模塊發(fā)送到單片機。傳感器內部的pH放大器是一個能通過數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測的有標準pH電極的電路。傳感器電纜的末端是一個BTA插頭或一個連接到數(shù)據(jù)記錄儀的5腳DIN插頭。在pH為7的緩沖溶液中，它會產(chǎn)生1.75 V的電壓。PH-BTA的測量原理是能夠輸出與所在環(huán)境pH呈比例關系的電壓，傳感器所在環(huán)境的pH每增加或下降1，其輸出電壓也相對應增加或下降0.25 V。此pH傳感器的分辨率為0.005，測量范圍為0～14，可以做到1 s內完成90%的讀數(shù)。

1.7 LCD顯示模塊

該智能控制系統(tǒng)可由LCD1602實現(xiàn)實時顯示四大環(huán)境指標。LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，最多可以同時顯示32個字符信息。它是一個點陣液晶模塊，專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等字符。它由多個5×7或5×11規(guī)格的點陣字符位構成，其中每個點陣字符位可以顯示一個字符。另外，每個點陣字符位之間、每一行之間都有一個點間距，這個點間距扮演著字符間距和行距的角色。

1.8 外設功能模塊

此模塊為溫室藍莓智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，分為3個部分，分別為可調節(jié)溫濕度的中央空調、大棚遮光簾電動馬達控制部件或補光燈[10-11]、調節(jié)培養(yǎng)液pH值的電動閥門。當大棚室溫值或濕度值偏離適合藍莓生長的范圍時，智能控制系統(tǒng)的中央處理單元控制溫室中央空調進行調節(jié)，使得大棚溫、濕度保持在合適的范圍內;當大棚的光照強度過強時，中央處理單元控制遮光簾的電動馬達，將遮光簾適當關閉;當大棚光照強度不足時，遮光簾全收，若光照強度仍不足時，應打開補光燈進行光照強度的補充;當培養(yǎng)液的pH偏離設定值時，中央處理單元會通過開關酸溶液或堿溶液的釋放開關來調節(jié)培養(yǎng)液的pH，以保證藍莓最重要的生產(chǎn)環(huán)境。以上調節(jié)都是通過負反饋的形式進行自動控制調節(jié)，以提高智能控制系統(tǒng)在控制方面的可靠性。

2 軟件部分

軟件的編寫在Keil μVision環(huán)境下完成，該環(huán)境是由美國Keil軟件公司開發(fā)的51系列兼容單片機C語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編語言相比，C語言在功能、結構、可讀性、可維護性等方面具有明顯優(yōu)勢，從而易于學習和實際應用。Keil軟件公司提供了一個完整的開發(fā)解決方案，包括C語言編譯器、宏匯編、連接器和強大的模擬調試器，這些通過集成開發(fā)環(huán)境（μVision）相結合。這就是Keil μVision環(huán)境。

該系統(tǒng)軟件由主程序和子程序構成，如圖2所示，主程序初始化系統(tǒng)并根據(jù)更能需要調用子程序運行處理;子程序主要負責檢測各個接口對應溫濕度、光照強度及pH，并進行分析、處理、顯示、存儲等。

3 系統(tǒng)調試與Proteus仿真

3.1 系統(tǒng)調試

整個系統(tǒng)設計并安裝好以后，還需要對系統(tǒng)進行調試，才能最終進入實際應用環(huán)節(jié)。在調試過程中，需要校準四大傳感器，由于pH傳感器的精密性性和特殊性，要特別留意pH傳感器的校正，避免因校正失誤對藍莓苗造成不可恢復的傷害。同時，應該堅持2次調試原則，保證系統(tǒng)的準確性。

3.2 Proteus仿真

為了論述該方案的可行性，在Proteus軟件上對該系統(tǒng)進行仿真[12]，仿真結果如圖3所示。作為英國著名的仿真軟件，Protues真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計，它可以從原理圖布局、代碼調試到單片機與外圍電路的協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計。同時，它是世界上唯一一個集電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件于一體的設計平臺。它的處理器模型支持8051、HC11、pic10/12/16、18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP系列處理器。另外，在編譯方面，它還支持多種編譯器，如IAR、Keil和MATLAB。

4 結語

多傳感器環(huán)境下的溫室藍莓智能控制系統(tǒng)的研究具有較大的商用價值。在智能控制系統(tǒng)協(xié)助下，“低成本、低能耗、安全可靠”地進行溫室藍莓種植生產(chǎn)，節(jié)省人力物力的同時提高藍莓產(chǎn)量，可以從季節(jié)上、效率上提高藍莓種植的核心競爭力。然而，該智能控制系統(tǒng)尚不夠完善，有待進一步更新和升級。

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