基于單片機(jī)的大棚溫濕度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑋瑋，董 昭

（安陽工學(xué)院，河南安陽455000）

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)往往受到地理環(huán)境、自然環(huán)境等諸多因素影響，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)控制難度較大，這使得以溫室大棚為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)保障農(nóng)業(yè)安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義?？茖W(xué)控制溫室內(nèi)溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度是溫室大棚的關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能、科學(xué)、合理地調(diào)節(jié)溫室溫濕度、光照度，形成有利于作物生長(zhǎng)的理想環(huán)境，確保溫室內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和效益，本文參考有關(guān)文獻(xiàn)[1-6]，設(shè)計(jì)了一種大棚溫濕度控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)路線，根據(jù)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，Arduino Mega 2560單片機(jī)通過控制繼電器，驅(qū)動(dòng)排風(fēng)扇、加熱帶、水泵、生長(zhǎng)燈等執(zhí)行裝置，根據(jù)植物的生長(zhǎng)特性進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，使系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)選擇Arduino Mega 2560單片機(jī)作為核心，分別由以下幾個(gè)部分組成：Arduino Mega 2560單片機(jī)、LCD顯示部分、按鍵部分、繼電器部分以及外設(shè)部分等。系統(tǒng)通過溫濕度模塊檢測(cè)環(huán)境溫濕度，將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的信號(hào)與系統(tǒng)參數(shù)值互相對(duì)比，再發(fā)出相應(yīng)的控制指令。液晶顯示模塊可以顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，再通過外設(shè)對(duì)溫濕度進(jìn)行控制，使其符合作物生長(zhǎng)要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序

系統(tǒng)讀取溫濕度數(shù)值，通過對(duì)應(yīng)控制繼電器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置，按照設(shè)定要求調(diào)節(jié)大棚溫濕度，主程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 檢測(cè)子程序和控制子程序

檢測(cè)子模塊包括傳感器和顯示屏控制。在檢測(cè)子程序中，系統(tǒng)利用傳感器采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理之后，通過顯示屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在控制子程序中，通過傳感器檢測(cè)到的數(shù)值和設(shè)定目標(biāo)參數(shù)，利用單片機(jī)控制繼電器的常開常閉觸點(diǎn)，用以控制外部設(shè)備，通過這些外部設(shè)備對(duì)系統(tǒng)中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可選擇手動(dòng)模式進(jìn)行控制。

2.3 WiFi模塊及云平臺(tái)

WiFi模塊的主要功能是連接中繼路由器，WiFi模塊和貝殼物聯(lián)之間的通信是基于TCP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過連接云端系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于每條成功發(fā)送的指令都會(huì)有信息反饋，處理器會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)結(jié)果分析是否進(jìn)行下一步動(dòng)作。

云平臺(tái)作為云端服務(wù)器可以儲(chǔ)存和處理數(shù)據(jù)。云平臺(tái)最主要的功能是提供人機(jī)交互界面，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。本設(shè)計(jì)采用C語言編程設(shè)計(jì)界面，可以使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變?yōu)閯?dòng)態(tài)曲線，讓用戶更便捷發(fā)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)變化，從而創(chuàng)造滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的適宜環(huán)境。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路包括數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、控制模塊、復(fù)位模塊。單片機(jī)使用外部電源+9V電源進(jìn)行供電。

3.1 總體電路圖

總體電路如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊電路

數(shù)據(jù)采集部分的電路由兩個(gè)傳感器組成，一個(gè)是DS18B20溫度傳感器，另一個(gè)是YL-69濕度傳感器。溫度傳感器需要一個(gè)上拉電阻來穩(wěn)定信號(hào)，使總線持續(xù)高電平，準(zhǔn)確讀取當(dāng)前的溫度值。濕度傳感器是一個(gè)集成模塊，把它的各個(gè)引腳連接到Arduino Mega 2560單片機(jī)上即可。

3.3 顯示模塊電路

本設(shè)計(jì)使用LCD12864顯示屏，電路如圖4所示。

圖3 電路原理圖

圖4 顯示模塊電路圖

3.4 控制模塊電路

控制部分包括單片機(jī)、繼電器、單刀雙擲開關(guān)、加熱帶、水泵、排風(fēng)扇。水泵和加熱帶采用220 V的交流電源供電，排風(fēng)扇使用12 V的直流電源供電?？刂葡到y(tǒng)有自動(dòng)手動(dòng)兩種模式。

3.5 復(fù)位模塊電路

Arduino Mega 2560單片機(jī)的復(fù)位引腳是低電平復(fù)位，所以用按鍵按的時(shí)候給RESET引腳一個(gè)有效的低電平即可。

4 測(cè)試

4.1 控制系統(tǒng)基本功能測(cè)試

本文設(shè)計(jì)一個(gè)模擬大棚封閉環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本功能測(cè)試，目標(biāo)參數(shù)設(shè)置為溫度23℃，濕度95%，光照85 lux。

4.2 WiFi及云平臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置好以后上電啟動(dòng)WiFi模塊，WiFi模塊接收處理器發(fā)送的AT+i指令，監(jiān)測(cè)中心聯(lián)網(wǎng)，上位機(jī)和下位機(jī)一起組成監(jiān)控系統(tǒng)。WiFi模塊作為上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁首先得連接中繼路由器，設(shè)置工作模式，對(duì)無線模塊進(jìn)行透?jìng)髟O(shè)置，這樣WiFi模塊就會(huì)在聯(lián)網(wǎng)的情況下自動(dòng)登錄貝殼物聯(lián)網(wǎng)站。

貝殼物聯(lián)開源提供設(shè)備和傳感器ID，用戶可以通過域名和端口接入貝殼物聯(lián)平臺(tái)。在貝殼物聯(lián)上，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)以波動(dòng)的曲線形式跳動(dòng)，這樣最大的優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)環(huán)境發(fā)生突然變化時(shí)，很容易被監(jiān)測(cè)者發(fā)現(xiàn)。還可以查詢歷史數(shù)據(jù)，與即時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.2.1 光照傳感器數(shù)據(jù)的測(cè)試

本次測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的光照數(shù)據(jù)，遮擋光照傳感器會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)變化，傳感器的精度為±1 lux。光照數(shù)據(jù)圖如圖5所示。

圖5 光照數(shù)據(jù)圖

4.2.2 溫度傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試

測(cè)量0～50℃溫度傳感器，供電電壓為DC3.3～5.5V，誤差溫度為±2℃。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，反復(fù)測(cè)量5次同一環(huán)境溫度，與標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，雖然有一些誤差，但是統(tǒng)計(jì)誤差不超過1℃。本次測(cè)試充分證明了此次溫度測(cè)試的數(shù)據(jù)有效，可以幫助監(jiān)測(cè)者實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，所采取的數(shù)據(jù)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

4.2.3 濕度傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試

為了確保測(cè)試的精確性，本設(shè)計(jì)在相同環(huán)境下取樣5次，通過與標(biāo)準(zhǔn)的濕度計(jì)進(jìn)行對(duì)比，可以清晰地觀察到誤差。通過改變環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)也會(huì)隨之不斷變化，測(cè)量數(shù)據(jù)見圖6所示。通過與標(biāo)準(zhǔn)的濕度計(jì)對(duì)比測(cè)得數(shù)據(jù)，見表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 測(cè)量數(shù)據(jù)

4.2.4 手機(jī)控制測(cè)試

通過手機(jī)端可以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開關(guān)，經(jīng)過測(cè)試系統(tǒng)手機(jī)可以遠(yuǎn)程控制。在手機(jī)APP上添加開關(guān)，通過設(shè)置指令控制系統(tǒng)開關(guān)，這樣就可以達(dá)到分別控制的目的。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的大棚溫濕度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具有制作成本低、系統(tǒng)功能穩(wěn)定、便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)，有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。