基于多傳感器融合結合單片機在溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)中的應用探究＊

余金永，李玉琴

基于多傳感器融合結合單片機在溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)中的應用探究＊

余金永，李玉琴

（廣西城市職業(yè)大學，廣西 崇左 532200）

隨著中國科學技術的發(fā)展，人們也越來越重視農業(yè)技術的提高。農業(yè)技術的提高可以有效提高農作物的生產(chǎn)質量及生產(chǎn)效率，同時農業(yè)生產(chǎn)也是國家發(fā)展的基礎，關系著國家的綜合實力，因此農業(yè)技術的提高對于國家發(fā)展來說是非常重要的。中國農業(yè)溫棚環(huán)境自動控制系統(tǒng)利用范圍大、成本較高，因此溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)的提高對于農業(yè)的發(fā)展至關重要。從溫棚技術的概述、溫棚環(huán)境控制技術的現(xiàn)狀、溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)方案設計、硬件控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及調試等方面展開論述，以期給相關的研究人員及工作人員提供一些切實可行的建議。

多傳感器；單片機；溫棚；環(huán)境控制系統(tǒng)

1 引言

中國的溫棚環(huán)境自動控制系統(tǒng)面向的對象主要是大規(guī)模的溫棚，對于小型及中小型的農業(yè)溫棚并不適用，并且溫棚環(huán)境自動控制系統(tǒng)的成本較高，普通農業(yè)工作人員很難支付得起。

51單片機在環(huán)境自動控制系統(tǒng)中性價比較高，可以利用溫度傳感器對大棚內的溫度進行感知、收集并控制，進而實現(xiàn)了對大棚內溫度的自動控制。

本次研究的控制系統(tǒng)由6個模塊組成，分別是51單片機基本系統(tǒng)模塊、溫濕度采集模塊、光照強度采集模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在適宜的條件下農作物的生長質量和產(chǎn)量都有所提高，而溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫棚內溫度的自動檢測與控制，從而為農作物的生長提供了適宜的環(huán)境，并且本系統(tǒng)對于中型及小型規(guī)模的農業(yè)溫棚同樣適用。

2 大棚溫室技術的概述

大棚溫室技術可以改變植物的生長環(huán)境，為植物生長提供適宜的環(huán)境，保護植物使其在生長過程中不受外界天氣及惡劣環(huán)境的影響。

溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)對溫棚環(huán)境的控制，對環(huán)境中的一些參數(shù)進行檢測與控制，這些參數(shù)主要包括溫度、濕度、土壤的濕潤程度、氧氣及二氧化碳的濃度等。

溫棚的環(huán)境與農作物的生長、發(fā)育及能量物質交換的聯(lián)系都是很密切的，溫棚環(huán)境的自動化控制是實現(xiàn)溫棚生產(chǎn)管理自動化、科學化的基本保證。

3 中國溫棚環(huán)境控制技術的現(xiàn)狀

截至目前，中國與農業(yè)發(fā)達國家的溫棚環(huán)境控制還存在不小的差距。這些國家的溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到計算機自動控制層面，而中國的溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)仍然比較落后，特別是環(huán)境系統(tǒng)的自動控制方面，并且此系統(tǒng)只能適用于大規(guī)模的溫棚環(huán)境。

中國中型及小型的農業(yè)溫棚仍然依靠人工進行環(huán)境控制，其工作強度很大且溫棚環(huán)境控制的效果并不理想。近年來，中國的中型及小型的溫棚在環(huán)境的自動控制方面成本投入比較高、環(huán)境控制效果不盡人意、溫棚環(huán)境很容易受到外界環(huán)境的影響，因此溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)在中型及小型的溫棚中難以得到有效利用。

4 針對中國溫棚環(huán)境控制技術的現(xiàn)狀提出相關對策

針對中國溫棚環(huán)境控制技術的現(xiàn)狀，設計出一種成本低、性能高的溫棚環(huán)境自動控制系統(tǒng)是當務之急。本文的研究對象是性價比較高的51單片機的核心部件，采用光強、溫度、濕度等采集模塊及上下調溫控制模塊來檢測溫室內的環(huán)境狀況，并探究影響植物生長的環(huán)境因素。本文中設計的環(huán)境檢測系統(tǒng)可以將溫室內的環(huán)境狀況通過LCD顯示屏及時地顯示出來，如果環(huán)境超過規(guī)定的范圍，就會帶動自動報警裝置，并能夠自動采取相應的解決措施。

5 溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)方案設計

在本文設計并研究的溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)中，利用光照傳感器BH1750FVI采集光照參數(shù)，利用數(shù)字式溫度傳感器DHT11采集溫度、濕度信息，然后傳給單片機，單片機將信息處理后轉變?yōu)閿?shù)據(jù)傳給LCD1602顯示屏，從而將實際的環(huán)境信息在顯示屏上顯示出來。系統(tǒng)中默認的最低溫度為15 ℃，最高溫度為35 ℃；最低濕度為55%，最高濕度為75%。不同農作物在生長的不同階段需要的環(huán)境也有很大的不同，在實際的棚溫環(huán)境控制過程中，可以根據(jù)實際情況擬定合理的環(huán)境控制范圍。在實際的工作過程中，如果溫棚內的溫度小于15 ℃，系統(tǒng)就會自動開啟加熱燈補光增溫，以提高溫棚內的溫度；如果溫棚內的溫度大于35 ℃，系統(tǒng)就會通過濕風扇排氣，以降低溫棚內的溫度，從而達到自動控制的作用，濕度與溫度控制同理。

6 硬件控制系統(tǒng)

6.1 單片機芯片STC89C51

單片機芯片STC89C51具有低功耗、高性能的特點，其主要功能有如下幾個方面：一般控制應用的8位單芯片；內部程式存儲器為4 KB；內部數(shù)據(jù)存儲器為128 B；外部程序存儲器可擴充至64 KB；32條雙向輸入輸出線，每條線都可以實現(xiàn)單獨控制；5個中斷向量源；兩組獨立的16位定時器；一個全雙工串行通信端口。

6.2 DHT11溫濕度采集模塊

DHT11溫濕度采集模塊主要運用溫濕度傳感技術和數(shù)字采集技術，保證產(chǎn)品的可靠性、卓越性和穩(wěn)定性，是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。

6.3 BH1750FVI光照強度采集模塊

BH1750FVI光照強度采集模塊可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來檢測環(huán)境，BH1750FVI是一種兩線式串行總線接口的集成電路，具有分辨率高的特點，并且可以應用于大范圍的光照強度變化檢測。

6.4 溫度顯示模塊

溫度顯示模塊采用字符型液晶顯示技術，主要用于顯示字母、數(shù)字、符號等數(shù)據(jù)。

6.5 按鍵模塊

本次研究設計的系統(tǒng)中有三個獨立按鍵，分別記為S1、S2、S3。S1表示菜單鍵，按第一次進入限定最高溫度輸入模式；按第二次進入限定最低溫度輸入模式；按第三次結束循環(huán)，返回當前溫度顯示。S2是溫度上調按鍵。S3為溫度下調按鍵，用于手動調節(jié)溫度。

6.6 溫度自動控制模塊

本次設計中溫度設定在15～35 ℃之間，當溫度高于35 ℃時，單片機的控制信號是繼電器控制強電系統(tǒng)啟動強點降溫電路，以降低大棚內的氣溫；當溫度低于15 ℃時，單片機的信號控制繼電器啟動強電加熱電路，以提高大棚內的氣溫。

7 實現(xiàn)及調試

7.1 主程序流程

程序的主要流程如下：首先進行系統(tǒng)初始化，然后對大棚內的光照強度、溫度、濕度進行采集。其次觀察鍵盤信息是否已經(jīng)輸入，如果已經(jīng)輸入需要更新溫度上下限參數(shù)設定；如果沒有輸入就要進行數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)處理的結果又分為兩部分，觀察收集的數(shù)據(jù)中溫度是否在規(guī)定范圍內，如果在規(guī)定的范圍內，重新進行光照強度、溫度、濕度等信息的收集；如果不在規(guī)定的范圍內，就自動啟動降溫或增溫模塊對大棚內的溫度進行調節(jié)。

7.2 調試說明

本次系統(tǒng)由C語言編寫并調試，在調試的過程中，需要先設定大棚內的溫度在規(guī)定范圍內，這時排氣扇、熱光燈不工作。當溫度傳感器檢測到大棚內溫度大于35 ℃時，報警器啟動報警裝置，排氣扇開始工作，直到大棚內的氣溫降到規(guī)定范圍內，排氣扇停止工作；當溫度傳感器檢測到大棚內溫度低于15 ℃時，報警器同樣啟動報警裝置，熱光燈開始工作，直到大棚內溫度提升到規(guī)定范圍內，熱光燈停止工作。

8 結語

針對中國農業(yè)溫棚自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文設計了性價比高的51單片機溫棚自動控制系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)在光照強度、溫度、濕度等信息的收集過程中還存在不足之處，需要研究人員今后進行更深一步探索與研究。

［1］張浩華，趙小姝，于欣禾，等.基于Arduino的溫棚養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［J］.沈陽師范大學學報（自然科學版），2016，34（4）：454-458.

［2］韓淑芹.無線傳輸技術在鴨棚環(huán)境控制中的應用［J］.信息與電腦，2016（11）：163-164.

［3］韓力英，楊宜菩，王楊，等.基于單片機的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.中國農機化學報，2016，37（1）：65-68，72.

［4］胡玲艷.溫室大棚作物生長環(huán)境智能測控系統(tǒng)［J］.電子制作，2017（23）：41-42，54.

［5］馬巧梅.基于52單片機的溫棚監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］.信息技術，2018（4）：53-57.

［6］金洪吉，朱清龍.基于STC89C52單片機的溫度監(jiān)控報警系統(tǒng)設計和仿真［J］.價值工程，2016，35（5）：133-134.

S625.3；TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.024

2095－6835（2019）17－0056－02

余金永（1983—），男，河南南陽人，本科，工程師，研究方向為智能控制及自動化。李玉琴（1983—），女，河南葉縣人，工程師，講師，研究方向為智能控制及自動化。

2018年度廣西城市職業(yè)大學科研項目“基于PLC控制的傳感器技術在溫棚自動化設備中的應用研究”（編號：GXCCKY2018A005）階段性成果

〔編輯：嚴麗琴〕