基于Arduino與組態(tài)王的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李秋立　梁兵兵　李皖　李守曉

摘 要：為解決傳統(tǒng)溫室大棚智能化水平不足、經(jīng)濟(jì)效益低下等問題，設(shè)計(jì)了一套由微控制板和組態(tài)軟件組成的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將Arduino控制板作為下位機(jī)，其由傳感器、傳輸模塊和繼電器模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、有效傳輸與調(diào)控。將PC機(jī)作為上位機(jī)，利用組態(tài)王6.55組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互組態(tài)界面，接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和變化曲線，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合軟件自帶報(bào)警控件，發(fā)送指令至下位機(jī)，對(duì)棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以很好地完成監(jiān)測(cè)調(diào)控功能，使棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境因素能夠保持在合適范圍內(nèi)，一定程度上提高溫室大棚的自動(dòng)化水平和農(nóng)作物產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：智能大棚;傳感器;Arduino;組態(tài)王6.55;數(shù)據(jù)庫;MAX485

中圖分類號(hào)：TP39;S24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

傳統(tǒng)溫室大棚內(nèi)的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等均為人工測(cè)量或憑經(jīng)驗(yàn)判斷，存在低效且測(cè)量不準(zhǔn)確的問題。同時(shí)，對(duì)于棚內(nèi)作物生長(zhǎng)因素的調(diào)控是由人工進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)操作，調(diào)控程度缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，雖然當(dāng)下智能大棚發(fā)展迅速，已經(jīng)有多種類型的大棚監(jiān)控系統(tǒng)，但大多成本較高，不易推廣。為提高大棚的自動(dòng)化水平[1]，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收，研發(fā)了一種由上位機(jī)、下位機(jī)和傳感器組成的可實(shí)時(shí)采集、直觀顯示與調(diào)控的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，使用傳感器監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)部各項(xiàng)環(huán)境因素。下位機(jī)控制傳感器和繼電器工作，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示、報(bào)警、發(fā)送控制指令、數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫等操作，管理者足不出戶就可以查看大棚內(nèi)的情況，對(duì)大棚進(jìn)行管理。這套系統(tǒng)成本相對(duì)較低，易于使用與維護(hù)[2]。

1 智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。底層數(shù)據(jù)采集由DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器和土壤濕度傳感器實(shí)現(xiàn)，組成了系統(tǒng)的感知層，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的溫濕度、光強(qiáng)和土壤濕度。傳感器與Arduino從機(jī)組成采集模塊，由從機(jī)獲取數(shù)據(jù)并通過MAX485模塊將數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)。Arduino主機(jī)與PC機(jī)相連，組態(tài)王通過PC機(jī)上的串口與主機(jī)進(jìn)行串口通信，獲取采集的數(shù)據(jù)，在組態(tài)王軟件中通過一系列函數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，使其能在組態(tài)王界面上顯示與操作，并根據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)定各變量的報(bào)警值。當(dāng)環(huán)境因素不在合理范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)送指令至從機(jī)，對(duì)繼電器進(jìn)行控制，打開或關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備[3]。同時(shí)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了組態(tài)王6.55與Access數(shù)據(jù)庫連通，可將數(shù)據(jù)以自動(dòng)或手動(dòng)方式存入數(shù)據(jù)庫，之后可隨時(shí)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出進(jìn)行分析利用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊以Arduino Mega256為核心控制板，它是基于Atmega2560處理器的微控制板，有54路數(shù)字輸入/輸出端，16路模擬輸入端，4路UART接口，256 KB的FLASH，

8 KB的SRAM，一個(gè)16 MHz的晶振器，一個(gè)ICSP Header，只需簡(jiǎn)單地配合USB數(shù)據(jù)線連接電腦或者交直流變壓器即可使用[4]。

2.2 傳感器檢測(cè)模塊

（1）采用DHT11溫濕度傳感器采集棚內(nèi)空氣溫濕度，具有成本低、相對(duì)濕度和溫度一體測(cè)量、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、數(shù)字信號(hào)輸出、精確校準(zhǔn)等特點(diǎn)，其濕度測(cè)量范圍為20%RH～95%RH，溫度測(cè)量范圍為0～50 ℃，

基本滿足大棚內(nèi)溫濕度測(cè)量要求。該傳感器包括1個(gè)電容式感濕元件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件，可與Arduino微處理器實(shí)現(xiàn)單總線雙向串行傳輸[5]。

（2）采用G5516光敏電阻傳感器采集棚內(nèi)的光強(qiáng)。G5516采用比較器輸出，信號(hào)干凈，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，電流超過15 mA。工作電壓為3.3～5 V，有兩種輸出形式：DO數(shù)字開關(guān)量輸出（0和1）和AO模擬電壓輸出，模擬電壓輸出的數(shù)值范圍為0～1 023。

（3）YL69土壤濕度傳感器實(shí)現(xiàn)采集土壤濕度功能，比較器采用LM393芯片，工作電壓為3.3～5 V，較穩(wěn)定，具有數(shù)字和模擬兩種輸出形式。該傳感器兩極采用銅箔，表面鍍鎳防止生銹，以提升導(dǎo)電性能并延長(zhǎng)傳感器壽命[6]。

2.3 傳輸模塊

（1）Arduino模塊與PC機(jī)之間的通信通過USB數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)，USB數(shù)據(jù)線為Arduino模塊提供了一個(gè)虛擬串口，使其可與PC機(jī)進(jìn)行串口通信，需要注意的是Arduino控制板中的數(shù)據(jù)以串行傳輸?shù)姆绞絺魉椭岭娔X，可以大幅降低信息傳輸?shù)某鲥e(cuò)率。

（2）從機(jī)和主機(jī)之間采用MAX485模塊實(shí)現(xiàn)RS 485串行通信，用于主從機(jī)之間相互傳送信息。RS 485傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是使兩設(shè)備可以進(jìn)行長(zhǎng)距離、高速率數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)避免受到噪聲干擾。

2.4 執(zhí)行器控制模塊

輸出控制模塊主要由繼電器、加熱板、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈和水泵組成，將這些執(zhí)行器與繼電器上的NO（常開）和COM（公共端）相連，當(dāng)繼電器收到Arduino控制板發(fā)來的置高電平命令后，NO端閉合，相應(yīng)執(zhí)行器工作[7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Arduino下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

Arduino下位機(jī)進(jìn)行溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及接收組態(tài)王發(fā)送的指令，控制相關(guān)執(zhí)行器開閉。數(shù)據(jù)采集部分通過程序讀取所測(cè)空氣溫濕度、光強(qiáng)以及土壤濕度，由于測(cè)得的光強(qiáng)和土壤濕度均為模擬電壓值，所以需通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⒛M電壓值轉(zhuǎn)換成百分比形式，然后與空氣溫濕度共同輸出到串口。同時(shí)還需讀取組態(tài)王發(fā)送到串口的字符并判斷，令相應(yīng)繼電器工作[8]。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示，數(shù)據(jù)采集部分程序如圖3所示。

3.2 基于組態(tài)王的上位機(jī)組態(tài)界面設(shè)計(jì)