有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

彭琛 梁宇

摘要：隨著大棚技術(shù)的普及，圍繞著有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度控制的研究不斷展開。在溫室大棚數(shù)量增多的同時(shí)還需要進(jìn)一步的保證有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)的是有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)為主控器的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度的監(jiān)控系統(tǒng)，自動監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品大棚內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度，用按鍵設(shè)置和修改溫度、濕度及光照強(qiáng)度范圍值，實(shí)時(shí)監(jiān)測有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚內(nèi)空氣溫度，土壤濕度傳感器監(jiān)測有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚內(nèi)土壤濕度，光照檢測電路監(jiān)測光照強(qiáng)度，液晶顯示屏顯示監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及調(diào)節(jié)設(shè)備模擬調(diào)節(jié)模塊完成設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)大棚;溫濕度監(jiān)控;光照強(qiáng)度;單片機(jī)

中圖分類號：TP311 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0026-03

Design and Research of Environmental Monitoring System for Greenhouse of Organic Agricultural Products

PENG Chen， LIANG Yu

（College of Computer and Electrical Engineering， Hunan University of Arts and Sciences， Changde 415000， China）

Abstract： With the popularization of greenhouse technology， the research on temperature and humidity control of organic agricultural products greenhouse has been carried out. With the increase of the number of greenhouses， it is necessary to further ensure the yield and quality of organic agricultural products. The design of this paper is the design of the temperature and humidity monitoring device for organic agricultural products greenhouses. The temperature and humidity monitoring system for organic agricultural products greenhouses， which uses single-chip microcomputer as the main controller， automatically monitors the temperature， humidity and light intensity in the agricultural products greenhouses， and uses the key to set and modify the temperature， humidity and light intensity Humidity and light intensity range value， real-time monitoring of air temperature in organic agricultural products greenhouse， soil humidity sensor monitoring of soil humidity in organic agricultural products greenhouse， light detection circuit monitoring of light intensity， LCD display of real-time monitoring data and adjustment equipment analog adjustment module completed the design.

Key words： Organic greenhouse; temperature and humidity monitoring; light intensity; MCU

1 引言

傳統(tǒng)的棚內(nèi)懸掛溫度計(jì)，耗時(shí)費(fèi)力、監(jiān)控精度低、成本大、易造成損失，很難達(dá)到有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)、效率高、產(chǎn)量多的目標(biāo)，所以需要設(shè)計(jì)性價(jià)比高、自動化程度高、監(jiān)控精度高的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度監(jiān)控裝置應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)需要。課題所研究的主要意義是為了實(shí)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚內(nèi)作物達(dá)到質(zhì)量優(yōu)、效率和產(chǎn)量都高的栽培目的，設(shè)計(jì)一套功能完善、精度高、體積小等特點(diǎn)的溫、濕度監(jiān)控裝置，自動地調(diào)節(jié)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度。

從大棚技術(shù)與智能農(nóng)田的發(fā)展情況來看，西方的發(fā)達(dá)國家有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚和農(nóng)業(yè)田地的科學(xué)化、智能化技術(shù)要比中國研究發(fā)展得起步比中國要更早一些。最開始與農(nóng)產(chǎn)品大棚相關(guān)的是人工氣候室，由美國建筑而成，研究影響植物生長的相關(guān)方面，例如：大棚種植作物自然環(huán)境下的抗寒耐熱的能力和適應(yīng)狀態(tài)，進(jìn)行了實(shí)際操作研究的同時(shí)推動農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。另外多個(gè)國家，如英國、荷蘭、以色列等，在有機(jī)農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品大棚的智能化技術(shù)方面也發(fā)展相當(dāng)快速，以幾十年的發(fā)展來看，農(nóng)業(yè)設(shè)施方面最重要的特征就是科學(xué)化、多智能，大棚技術(shù)的科學(xué)化、智能化的也在不斷發(fā)展與進(jìn)步，不斷的提高大棚自動程度和監(jiān)測控制精確度。

70年代，我國也開始展開對多個(gè)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的研究，例如：節(jié)能日光農(nóng)田和多功能農(nóng)田等等，也是我國發(fā)展農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的研究的開始，也緩解了農(nóng)產(chǎn)品的在中國人口大國供應(yīng)量不足的狀態(tài)。1980年～1994年這段時(shí)間，我國的農(nóng)業(yè)在整體上都有了很大的發(fā)展。20世紀(jì)90年代初期到90年代末的期間，農(nóng)產(chǎn)品大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)的不斷更替進(jìn)步，對農(nóng)產(chǎn)品大棚環(huán)境控制不但更加精準(zhǔn)，而且還能控制多個(gè)環(huán)境因素，更是能實(shí)時(shí)監(jiān)控，從溫室控制與管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對溫度的控制管理，到溫室硬件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對溫度、光照、CO2等多個(gè)環(huán)境因素進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)產(chǎn)品大棚內(nèi)溫度和濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，達(dá)到了一個(gè)更好的環(huán)境控制效果。

2有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度監(jiān)控裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)方案

以單片機(jī)STC89C52為核心的控制器，鍵盤設(shè)置溫、濕度和光照強(qiáng)度的范圍值，按下開始檢測按鍵啟動，光敏電阻檢測光照強(qiáng)度、DS18B20溫度傳感器檢測溫度值、土壤濕度傳感器檢測土壤的濕度，土壤濕度傳感器和光敏電阻收集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換才能在LCD1602顯示為數(shù)量值，采用PCF8591進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化，LCD1602液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)采集的三者數(shù)據(jù)，同時(shí)與預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)值進(jìn)行對比，當(dāng)實(shí)時(shí)環(huán)境的溫、濕度和光照強(qiáng)度超范圍時(shí)，報(bào)警模塊蜂鳴器報(bào)警并相應(yīng)警示燈亮，同時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)光、升溫、降溫、加濕、除濕操作，以保證大棚的溫濕度范圍在設(shè)置的上下限參數(shù)內(nèi)。

列出此次設(shè)計(jì)要達(dá)到的指標(biāo)：

（1） 適應(yīng)環(huán)境：有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚。

（2） 溫度測量誤差：±0.5%;測溫范圍：-55℃～+125℃。

（3） 濕度測量誤差：±5%RH;測濕范圍：0～100%RH。

（4） 測光照強(qiáng)度誤差：±5%;測光照強(qiáng)度范圍：5～10KLX。

（5） 使用LCD1602液晶顯示屏，能顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測到的溫度、濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

（6） 能通過按鍵修改預(yù)先設(shè)定的范圍值。

（7） 能聲光報(bào)警。

2.2硬件電路設(shè)計(jì)

有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)、按鍵、LCD1602液晶顯示、溫度傳感器、光照檢測、土壤濕度傳感器A/D采樣PCF8591、調(diào)節(jié)設(shè)備組成。按鍵不僅起到了設(shè)置或修改所需范圍值的作用，還可以使人與設(shè)備很好的交互，按鍵功能說明：第一個(gè)鍵（SW2）：確定;第二個(gè)鍵（SW3）：加一;第三個(gè)鍵（SW4）：減一;第四個(gè)鍵（SW5）：開始檢測。由溫度傳感器監(jiān)測空氣溫度、光照電路監(jiān)測光照強(qiáng)度，土壤濕度傳感器監(jiān)測土壤的濕度，土壤濕度的大小就是土壤中水分含量的多少，使用電位器去調(diào)節(jié)土壤濕度控制閥值，可以自動農(nóng)產(chǎn)品大棚內(nèi)土壤濕度進(jìn)行監(jiān)控。在LCD1602液晶顯示屏上顯示出實(shí)時(shí)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，單片機(jī)STC89C52收集到數(shù)據(jù)并作對比，超閾值作出對應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，電路原理圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先預(yù)設(shè)出農(nóng)產(chǎn)品適宜溫度、濕度和光照強(qiáng)度的范圍值，當(dāng)監(jiān)測這三者的實(shí)測值不在所設(shè)定的范圍內(nèi)，單片機(jī)STC89C52控制系統(tǒng)就會啟動調(diào)節(jié)設(shè)備。本次設(shè)計(jì)的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)是由一個(gè)主系統(tǒng)調(diào)用多個(gè)子系統(tǒng)。主程序首先初始化整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)將收集到的溫度、濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置值進(jìn)行對比后，做出相應(yīng)的警示和調(diào)節(jié)動作并在LCD顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖3所示：

4 系統(tǒng)調(diào)試仿真

要使有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚內(nèi)作物在良好的生長環(huán)境中茁壯成長，就需要調(diào)節(jié)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚內(nèi)環(huán)境保持良好的狀態(tài)，才能有效控制影響著光合作用的CO2濃度和避免白晝溫度存在差異造成到的損害和濕度過高致蟲害，達(dá)到增產(chǎn)增量的效果。有機(jī)大棚農(nóng)產(chǎn)品類型不同，所適宜生長環(huán)境所需的溫度、濕度及光照強(qiáng)度也會有所差異的，可以依據(jù)不同農(nóng)產(chǎn)品的習(xí)性需要設(shè)置所需的數(shù)據(jù)。本文設(shè)置模擬的溫度范圍是20℃～30℃，濕度范圍在35%RH～75%RH，光照強(qiáng)度范圍在90lux～500lux。在開始檢測時(shí)，頁面處于初始化狀態(tài)，如圖4所示，再通過按鍵設(shè)置好溫度、濕度和光照強(qiáng)度的范圍值。

當(dāng)溫度低于范圍值時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警發(fā)出聲響，同時(shí)空氣溫度警示燈亮，補(bǔ)溫?zé)粼O(shè)備就開始補(bǔ)溫，如圖5所示;當(dāng)溫度高于范圍值時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警發(fā)出聲響，同時(shí)空氣溫度警示燈亮，調(diào)節(jié)設(shè)備風(fēng)扇轉(zhuǎn)動降溫，如圖6所示。

當(dāng)濕度低于設(shè)置范圍值時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警發(fā)出聲響，同時(shí)土壤濕度警示燈亮，調(diào)節(jié)設(shè)備水泵開始工作加濕，如圖7所示：當(dāng)濕度比設(shè)置范圍值高時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警發(fā)出響聲，同時(shí)土壤濕度的警示燈亮，調(diào)節(jié)設(shè)備風(fēng)扇轉(zhuǎn)動進(jìn)行除濕動作，如圖8所示。

當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)置范圍值時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警發(fā)出聲響，同時(shí)光照強(qiáng)度警示燈亮，調(diào)節(jié)設(shè)備補(bǔ)光燈設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)光動作，如圖9所示。

5 總結(jié)

本文主要分析了有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度裝置的工作過程，設(shè)計(jì)了該課題的系統(tǒng)方案，全文設(shè)計(jì)包括方案、硬件和軟件的設(shè)計(jì)，及模擬仿真。用單片機(jī)對有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚溫濕度監(jiān)控裝置控制，用C語言編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)方面的控制要求，實(shí)現(xiàn)了對溫度、土壤濕度和光照強(qiáng)度的監(jiān)控，并利用LCD1602實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測到的數(shù)據(jù)值，能讓人們直接看到大棚農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)的具體情況，經(jīng)過調(diào)試與最終仿真的結(jié)果也證實(shí)了此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是能行得通的，本次設(shè)計(jì)通過對空氣溫度、土壤濕度和光照強(qiáng)度的監(jiān)控去控制影響農(nóng)產(chǎn)品光合作用CO2的濃度，并沒有使用專門監(jiān)控的CO2的濃度的傳感器，對CO2濃度的控制沒有達(dá)到較高的準(zhǔn)確性，在以后的有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品大棚監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)的時(shí)候，會進(jìn)一步的完善各個(gè)方面的功能。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-05-21

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳優(yōu)青項(xiàng)目（湘教通〔2020〕264號-20B398）;常德市社會科學(xué)成果評審委員會課題（常社評[2021]6號-CSP21YC84）;湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院2019年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：基于互聯(lián)網(wǎng)+的智慧農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通訊作者：彭琛（1982—），女，湖南澧縣人，湖南文理學(xué)院，講師，碩士，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及智慧農(nóng)業(yè)。