高原大棚環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計*

羅衛(wèi)艷，李 峰，郭永剛（西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏林芝 860000）

高原地區(qū)氣候因地勢高地起伏變化而不同，氣候區(qū)域性差別極大，晝夜溫差大，地面積溫不明顯且長期處于無霜季，如此不利于發(fā)展露地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，而且該區(qū)的可發(fā)展農(nóng)業(yè)土地質(zhì)量較差，發(fā)展農(nóng)業(yè)種植大棚設(shè)施是補給該區(qū)天然生長環(huán)境的有效途徑。然而該區(qū)農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展起步較晚，多地區(qū)還以單個及人工管理控制為主，為了優(yōu)化農(nóng)作物生長所需的環(huán)境條件，大量學(xué)者基于單片機或物聯(lián)網(wǎng)等手段進行了對不同大棚溫度、光照等環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計，高龍[1]等基于單片機設(shè)計大棚溫度光照控制系統(tǒng)，在實驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)用該設(shè)計系統(tǒng)能夠很好的控制溫度和光照。王峰[2]、劉亞偉[3]、廖建尚[4]等實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)手段分別對農(nóng)業(yè)大棚室內(nèi)溫度自動控制和整體農(nóng)作物生長所需的環(huán)境條件進行系統(tǒng)的研究，均達到了預(yù)期的效果，實現(xiàn)了對大棚溫度較好穩(wěn)定的調(diào)節(jié)控制及室內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境要求的完美控制；劉士光[5]等主要介紹了基于溫室多功能測控的硬件組成結(jié)構(gòu)和工作原理，測試后得出這種技術(shù)較為簡單可靠，適合在農(nóng)業(yè)設(shè)施中應(yīng)用。

上述介紹多基于試驗或者農(nóng)業(yè)大產(chǎn)區(qū)開展的研究，然而，相對高原地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)在技術(shù)方面多為引進型，最新的研究成果或是高科技成果受資金等原因還未能在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用，現(xiàn)存為傳統(tǒng)的塑料大棚，不能滿足不同作物對所需生長環(huán)境的要求，為了給高原地區(qū)大棚不同農(nóng)作物提供更好的生長環(huán)境，本文借用傳感器實時監(jiān)測作物生長環(huán)境的各種參數(shù)，以監(jiān)測和控制大棚農(nóng)作物物生長環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度和土壤濕度為目標，利用單片機和溫濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、繼電器、排氣扇以及輔光燈設(shè)計了一種高原大棚環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以全天候?qū)r(nóng)作物生長環(huán)境中的土壤濕度、光照強度、空氣濕度、空氣溫度及二氧化碳含量等信息進行監(jiān)測，對于超出閾值的環(huán)境參數(shù)可以自動開啟排氣扇或輔光燈進行智能控制，不僅能夠很好的改善大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長環(huán)境而且釋放人力減少經(jīng)濟投入。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計

高原大棚監(jiān)測和控制系統(tǒng)邏輯框圖如圖1所示。該系統(tǒng)以單片機為核心，使用溫濕度傳感器獲取植物生長環(huán)境中的溫度和濕度信息，采用光照強度傳感器獲取環(huán)境中的光照強度，同時可以將這些參數(shù)實時顯示在顯示屏上，并且還可以設(shè)置控制參數(shù)通過單片機連接的執(zhí)行機構(gòu)對植物的生長環(huán)境的部分條件進行控制。

圖1 系統(tǒng)邏輯框圖

硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括單片機最小系統(tǒng)、液晶驅(qū)動電路、溫濕度傳感器驅(qū)動電路、光照強度傳感器驅(qū)動電路、獨立按鍵電路以及繼電器控制電路等六部分的硬件電路設(shè)計，電路原理圖如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路原理圖

單片機小系統(tǒng)

本系統(tǒng)使用的單片機是STC89C52RC，這款單片機是多年前的產(chǎn)品，是使用MCS-51內(nèi)核的8位單片機，具有功耗低、易使用、價格低、超強抗干擾信息資料豐富等特點。單片機最小系統(tǒng)主要包括電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路，屬于單片機工作的最基本的電路，最小系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)系到單片機工作是否穩(wěn)定，進而影響未來整個系統(tǒng)的工作。設(shè)計中使用的單片機為5 V單片機所以供電單片機采用5 V供電。復(fù)位電路采用電阻持續(xù)為電容充電的方式實現(xiàn)延時上電復(fù)位的目的。由于無線通信模塊使用9600波特率與上位機電腦進行通信，為了方便產(chǎn)生該波特率的信號，時鐘電路的晶振選擇11.0592 MHz。為了進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性在晶振兩個引腳與地之間分別連接一個22 pF電容。

液晶驅(qū)動電路

本系統(tǒng)所選液晶顯示模塊為LCD1602液晶顯示模塊，該液晶具有16個引腳，其中包括八個數(shù)據(jù)引腳、兩個液晶供電、兩個液晶背光供電、讀/寫控制、數(shù)據(jù)/命令選擇、液晶使能等。為了方便編程八位數(shù)據(jù)線與單片機的一個完整的端口八位輸出相連，該設(shè)計選擇的是P0口。由于其他控制線均使用位控制。液晶電源和背光電源均采用5 V供電。

溫濕度傳感器電路

從經(jīng)濟和實際應(yīng)用場景的角度分析，本系統(tǒng)使用DHT11傳感器作為溫濕度傳感器。該傳感器集成溫度和濕度檢測功能，雖然精度和檢測范圍可以達到本設(shè)計的要求。DHT11溫濕度傳感器擁有4個引腳其中有一個空腳、一個數(shù)據(jù)引腳和兩個供電引腳，在使用的模塊中廠家只對3個有用引腳進行了引出。DHT11可以支持5 V供電，在電路設(shè)計時該模塊使用5 V供電，數(shù)據(jù)腳與單片機P1.0進行連接。

光照強度傳感器電路

本系統(tǒng)使用基于BH1750數(shù)字光照芯片的傳感器模塊，該數(shù)字光照強度傳感器模塊擁有5個引腳，分別為兩個供電引腳、兩個IIC通信引腳和一個模擬量輸出引腳。由于在設(shè)計中并沒有用到模擬量的讀取所以模擬輸出引腳置空，IIC通信引腳單片機的P1.1和P1.2引腳模擬的IIC通信引腳相連。同樣的該模塊支持5 V供電，所以在設(shè)計中使用5 V對該模塊供電。

繼電器驅(qū)動電路

相對于單片機引腳的輸出能力繼電器屬于大功率原件。在該設(shè)計中使用的繼電器為5 V繼電器，經(jīng)實測在5 V供電的情況下電流可以到達70 mA左右，在降低電壓的情況下繼電器吸合的最小電流也要超過30 mA。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性需要為繼電器添加驅(qū)動電路。在本設(shè)計中繼電器采用S8550三極管進行驅(qū)動，首先繼電器的一條控制線連接電源的正極，另一腳連接三極管的集電極，三極管的發(fā)射極接地，基極串聯(lián)電阻后與單片機P1.3引腳和P1.4引腳相連。在單片機輸出高電平時三極管工作在截止區(qū)繼電器不工作。當(dāng)單片機引腳輸出低電平時三極管工作在飽和區(qū)，繼電器吸合。

軟件設(shè)計

軟件設(shè)計從功能上主要包括液晶驅(qū)動、溫濕度傳感器讀取、光照強度傳感器數(shù)據(jù)讀取、按鍵讀取、繼電器控制、主程序設(shè)計等部分程序設(shè)計。

按鍵程序

本系統(tǒng)的按鍵部分采用獨立按鍵設(shè)計。當(dāng)按鍵被按下時相應(yīng)引腳電平會被拉低，此時程序可以讀取到對應(yīng)端口的數(shù)據(jù)位邏輯“0”，既邏輯“0”代表按鍵被按下。當(dāng)發(fā)現(xiàn)按鍵被按下時首先會進行10 ms的防抖延時，防抖延時結(jié)束后會再次檢測按鍵是否被按下，如果依舊被按下則執(zhí)行對應(yīng)的程序段，如果沒有被按下則不做任何操作繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序（圖3）。

光照強度獲取程序

在通信協(xié)議方面，由于光照強度傳感器使用BH1750芯片，而BH1750芯片與控制器之間的通信協(xié)議為IIC協(xié)議。由于單片機內(nèi)并無集成硬件IIC控制器，所以需要用單片機的普通IO口進行模擬。在通信內(nèi)容上，BH1750的默認地址為0x46，首先向總線發(fā)送BH1750的地址并等待其相應(yīng)，然后發(fā)送初始化和轉(zhuǎn)換命令，最后根據(jù)數(shù)據(jù)格式依次讀出傳感器檢測到的信息，由于每次只能傳輸8 bit的信息，而芯片內(nèi)的AD采樣為16 bit所以在讀取完成后需要對讀取到的數(shù)據(jù)進行拼接操作[3]。

液晶驅(qū)動程序

液晶驅(qū)動程序也包括初始化和控制兩部分，與串口通信類似液晶驅(qū)動程序的初始化是對液晶工作模式的設(shè)置?？刂撇糠质菍σ壕э@示內(nèi)容的設(shè)置。液晶初始化一共需要四個步驟，首先需要發(fā)送打開顯示命令，第二步設(shè)置隱藏光標，第三步設(shè)置顯示指針在顯示完成一個字節(jié)后自動加一，這有利于簡化程序提高程序運行效率，最后執(zhí)行清屏操作。

液晶顯示控制共需要兩類操作，一是設(shè)置顯示位置，二是設(shè)置顯示內(nèi)容。上文初始化部分中提到顯示指針會在顯示完成后指針自動加一。所以在顯示過程中首先設(shè)置顯示位置，然后連續(xù)對顯示內(nèi)容進行設(shè)置直到顯示完成或者需要更換位置進行顯示。

主程序

主程序主要完成本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，其他程序用于輔助完成本系統(tǒng)的各項功能。主程序是一個循環(huán)，在主程序執(zhí)行之初需要對系統(tǒng)進行初始化，其中主要包括單片機內(nèi)部功能單元初始化和外部模塊初始化，然后進入主循環(huán)。在主循環(huán)中首先執(zhí)行按鍵控制子程序，用于調(diào)節(jié)溫濕度和光照強度的上下限。然后會依次執(zhí)行光照強度獲取子程序和溫濕度獲取子程序，用于從光照強度傳感器和溫濕度傳感器中讀取當(dāng)前光照強度和溫濕度值。然后判斷當(dāng)前溫濕度和光照強度是否超標，并根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行開關(guān)排氣扇和輔光燈的相應(yīng)操作。最后調(diào)用液晶顯示子程序?qū)?dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)顯示在屏幕上（圖3）。

圖3 按鍵處理程序流程圖

總結(jié)

本設(shè)計建立在對單片機的使用和了解知識基礎(chǔ)之上結(jié)合應(yīng)用各種傳感器以及日光燈、排氣扇等執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)了對植物生長環(huán)境中的光照、溫度和濕度等要素的實時監(jiān)測和控制。借助在實驗室搭建的小型仿真模擬大棚，分別對濕度、光照和溫度等主要影響作物生長指標進行監(jiān)測控制試驗，即改變棚外和棚內(nèi)的條件指標參數(shù)和設(shè)定指標參數(shù)，利用觀察其調(diào)節(jié)所需時間和調(diào)節(jié)變化值與設(shè)定值的差來判斷該系統(tǒng)工作的可靠度，結(jié)合對西藏某高校實驗基地的大棚中應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測控制系統(tǒng)能夠在不同氣候環(huán)境和不同時間段實時監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)，滿足農(nóng)作物在成長過程中所需的環(huán)境條件。在未來智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，該設(shè)計或者類似設(shè)計的推廣及應(yīng)用勢必能提高大棚設(shè)施農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，促進高原大棚農(nóng)業(yè)高效快速發(fā)展，對發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重要意義。