基于單片機(jī)的智能溫室系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

何嘉凱，杜雪梅，郟浩杰，趙玉榮，沈靜靜，王亓劍

（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088）

0 引 言

溫室種植在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，在傳統(tǒng)溫室中懸掛溫度計，人工讀取溫度后進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)，濕度等方面則通過工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，決定是否進(jìn)行灌溉[1]。這種工作方式對人力資源耗費(fèi)極大，且測量精度不高，調(diào)節(jié)措施存在局限性，如何改進(jìn)傳統(tǒng)溫室大棚效率低、監(jiān)測精度差、生產(chǎn)成本高、實(shí)時性不強(qiáng)和消耗人力資源多等缺點(diǎn)是智能溫室大棚的研究目的[2]。

溫室栽培在國外最早可以追溯到公元前三年，到了20世紀(jì)70年代，西方一些國家投入了大量資金對智能溫室進(jìn)行研究[3]。目前為止，研究人員正在研發(fā)如何用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并利用計算機(jī)來控制溫室中的環(huán)境因素。美國、荷蘭和日本等部分發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)技術(shù)目前處于世界頂尖水平，他們使用智能化計算機(jī)系統(tǒng)控制溫室內(nèi)的溫度、光照、水等因素，使這些因素達(dá)到適宜值。

荷蘭對智能溫室的研究起步較早，能夠追溯到20世紀(jì)80年代，目前已取得了顯著效果。美國和日本等國家也相繼采用全智能化的控制系統(tǒng)技術(shù)，農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量激增，溫室面積在進(jìn)一步擴(kuò)大[4]。

中國的智能溫室產(chǎn)業(yè)興起時間不早，但發(fā)展迅速。中國當(dāng)前農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)生效益最多，種植面積最大的就是日光溫室大棚蔬菜。這些日光溫室通過不斷改良環(huán)境設(shè)置，逐步形成了節(jié)能性日光溫室，各地區(qū)也相繼建立了具有現(xiàn)代化氣息的農(nóng)業(yè)示范園。盡管我國溫室面積較大，但其智能化程度不高，對此，有關(guān)部門引進(jìn)了國外更現(xiàn)代化的設(shè)備和技術(shù)，根據(jù)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展水平以及不同地區(qū)的氣候，對現(xiàn)有溫室進(jìn)行改造，發(fā)展具有中國本土特色的智能化溫室控制技術(shù)，為建設(shè)與實(shí)現(xiàn)溫室智能化夯實(shí)基礎(chǔ)，促進(jìn)中國智能溫室的發(fā)展。

我國溫室產(chǎn)業(yè)目前存在的一些問題：

（1）我國溫室科學(xué)技術(shù)含量較低，在栽培管理和控制方面以傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)為主，采用人工控制手段，不僅設(shè)備簡陋，效率低下，種植效果也較差[5]。

（2）缺乏理論基礎(chǔ)，環(huán)境調(diào)控技術(shù)落后。因?yàn)槲覈F(xiàn)有的溫室設(shè)備簡陋，類型單一，塑料溫室容易受到環(huán)境影響，一旦遭遇極端天氣則無法正常生產(chǎn)，當(dāng)溫度過高或日光太強(qiáng)時無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）缺少優(yōu)秀的控制軟件。目前中國大多數(shù)智能溫室都引用國外的技術(shù)，費(fèi)用高昂，成本較高[6]。自主研發(fā)的系統(tǒng)無法保證穩(wěn)定性和有效性，溫室調(diào)控易出現(xiàn)波動。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

單片機(jī)引腳連接溫濕度傳感器和繼電器，外接LCD顯示屏，通過CH340USB轉(zhuǎn)換接口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)界面可以顯示溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)定值范圍時蜂鳴器發(fā)出警報，LED燈閃爍，系統(tǒng)將啟動繼電器，模擬控制溫濕度。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 硬件設(shè)計

2.1 微處理器

系統(tǒng)的硬件部分對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，并通過串行端口傳輸給上位機(jī)。AT89C51單片機(jī)是一款具有高性能、低能耗特點(diǎn)的微控制器，含5個中斷優(yōu)先級，通過全雙工進(jìn)行串口通信[7]。在AT89C51中對振蕩頻率進(jìn)行設(shè)計和配置。該芯片包含8位CPU和閃爍存儲器，穩(wěn)定性良好，系統(tǒng)可編程FLASH可以在傳統(tǒng)的編程中使用，為諸多嵌入式系統(tǒng)提供了強(qiáng)大支撐。本設(shè)計選擇將AT89C51作為主控制器，AT89C51電路如圖2所示。

圖2 AT89C51電路

2.2 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有極高的可靠性和出色的穩(wěn)定性，且傳感器功耗低、傳輸距離長，所占用的體積小，連接方便，所以本設(shè)計采用DHT11傳感器[8-11]。DHT11溫濕度傳感器電路如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器電路

2.3 LCD1602顯示屏

本設(shè)計中，液晶顯示屏選用LCD1602顯示屏，它可以同時顯示32個字符，采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口設(shè)計。在本設(shè)計中，LCD顯示屏與單片機(jī)的P1口連接，同時還連接了一個滑動變阻，防止因電壓過高導(dǎo)致LCD顯示屏亮度過高，從而損壞亮點(diǎn)。LCD1602電路如圖4所示。

圖4 LCD1602電路

2.4 繼電器

繼電器是一種電控裝置，其通常由電機(jī)和線圈組成，用作控制元件，有擴(kuò)大控制范圍的效果[12]。在本設(shè)計中，繼電器模塊與51單片機(jī)的P2.6口連接，若溫濕度超過上位機(jī)界面所設(shè)定的閾值則啟動繼電器，模擬現(xiàn)實(shí)中的溫濕度調(diào)節(jié)。繼電器的01引腳連接了1個LED燈，當(dāng)繼電器啟動時LED燈閃爍。繼電器電路如圖5所示。

圖5 繼電器電路

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

圖6所示為主程序流程。按下系統(tǒng)電源鍵，初始化各模塊，初始化完成之后，溫濕度傳感器模塊工作任務(wù)開啟，開始采集溫濕度信息，并將采集的數(shù)據(jù)由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，單片機(jī)模塊將采集的數(shù)據(jù)傳送給液晶顯示屏顯示，便于使用者直觀觀察。同時，單片機(jī)也可以通過串口與上位機(jī)通信，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，通過上位機(jī)界面顯示。

圖6 主程序流程

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 顯示屏流程

本設(shè)計采用LCD1602顯示屏。LCD顯示屏初始化后通過與單片機(jī)P1口的連接，將數(shù)據(jù)傳輸給顯示屏，顯示數(shù)據(jù)。顯示屏流程如圖7所示。

圖7 顯示屏顯示流程

3.2.2 溫濕度檢測流程

在本設(shè)計中，溫濕度傳感器模塊接在單片機(jī)的P2.0口，能夠?qū)崟r采集環(huán)境中的溫濕度。本設(shè)計選擇的DHT11溫濕度傳感器能夠完整輸出所測量的溫度和濕度，并通過數(shù)字方式顯示。溫濕度檢測流程如圖8所示。

圖8 溫濕度檢測流程

4 測 試

4.1 下位機(jī)測試

下位機(jī)功能測試主要包括檢測硬件之間是否能夠順暢通信，例如傳感器和單片機(jī)之間的通信是否正常等，將DHT11傳感器的程序燒錄進(jìn)微控制器之后，將微控制器的串口與電腦連接，打開串口調(diào)試助手，將波特率設(shè)置為9 600，串口選擇COM3，晶振為11.059 2 MHz，然后觀察串口調(diào)試助手界面出現(xiàn)的報文是否與預(yù)期一致。測試結(jié)果如圖9所示，測試實(shí)物如圖10所示。

圖9 測試結(jié)果

圖10 測試實(shí)物

圖11所示為溫濕度正常時的亮燈情況，圖12所示為某一參數(shù)超限，系統(tǒng)發(fā)出警報時的亮燈情況。

圖11 溫濕度正常

圖12 溫濕度超出閾值

4.2 上位機(jī)測試

上位機(jī)功能測試主要包括串口收發(fā)是否正常以及是否存在數(shù)據(jù)丟失，測量值顯示以及設(shè)備狀態(tài)顯示是否正常等。在測試串口時，一個節(jié)點(diǎn)在固定時間間隔發(fā)出固定的報文，上位機(jī)接收到報文后通過文本框的形式展示，在測試過程中觀察是否有報文異常以及數(shù)據(jù)丟失的情況。改變溫濕度，觀察上位機(jī)界面顯示的數(shù)值是否發(fā)生改變，測試上位機(jī)顯示部分是否發(fā)生故障。圖13所示為上位機(jī)測試結(jié)果。

圖13 上位機(jī)測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本設(shè)計通過DHT11溫濕度傳感器、AT89C51單片機(jī)、液晶顯示屏、蜂鳴器等測試并顯示溫室環(huán)境中的溫濕度，還能夠?qū)z測到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，與上位機(jī)界面手動設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若超過閾值會啟動繼電器模擬溫室系統(tǒng)及時調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫室智能化，具有一定的推廣價值。