智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范明民

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海 536000）

0 引言

環(huán)境溫度和濕度等會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生極大影響，如會(huì)影響儀器設(shè)備的使用壽命，影響作物生產(chǎn)質(zhì)量等。要想提高農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的產(chǎn)量，就必須使環(huán)境溫度和濕度相對(duì)穩(wěn)定、可調(diào)控。因此，設(shè)計(jì)一款可自動(dòng)調(diào)節(jié)的智能數(shù)字化溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展極具價(jià)值。筆者設(shè)計(jì)的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示溫濕度，還能在溫濕度超過閾值時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，降低人力成本，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

合理的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案能夠讓產(chǎn)品在市場(chǎng)中更有優(yōu)勢(shì)。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包含電源電路、溫濕度檢測(cè)電路、微處理器AT89C52主控制電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路、鍵盤電路和風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)電路等。同時(shí)，該系統(tǒng)預(yù)留了拓展接口，方便后續(xù)功能的完善和升級(jí)。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)采用STC89C52作為主控芯片，用于分析、處理轉(zhuǎn)換溫度和濕度傳感器采集的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)字顯示。當(dāng)環(huán)境溫度超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)直流電機(jī)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，改變周圍環(huán)境參數(shù)，起到自動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度的效果。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)主控芯片起到中樞神經(jīng)控制作用，處理傳感器的模擬信號(hào)和輸出數(shù)字信號(hào)。以小麥生長(zhǎng)為例，小麥在不同的生命周期對(duì)環(huán)境溫度和濕度有不同的要求，小麥發(fā)芽適宜的溫度和濕度分別為15～20 ℃和50%RH～70%RH，小麥灌漿適宜的溫度和濕度分別為20～22 ℃和70%RH～80%RH。該系統(tǒng)默認(rèn)周圍理想環(huán)境溫度為15～30 ℃，濕度為45%RH～65%RH。控制電路的工作原理是當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的指標(biāo)超過或者小于閾值時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)電路，使周圍環(huán)境達(dá)到適宜的溫濕度。溫濕度檢測(cè)電路主要通過高精度的傳感器測(cè)量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的溫度和濕度，顯示電路主要通過LCD1602顯示，復(fù)位電留上一次的數(shù)據(jù)，即插即用，使用方便。該系統(tǒng)正常工作時(shí)會(huì)顯示所監(jiān)控環(huán)境的溫度，管理員使用按鍵電路實(shí)現(xiàn)溫度最大值和最小值的設(shè)定。該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把設(shè)定好的溫度上、下限閾值存儲(chǔ)到EEPROM中，縱使斷電，下一次系統(tǒng)通電正常工作后也能夠恢復(fù)上一次設(shè)定的溫度閾值，不需要手動(dòng)重復(fù)設(shè)置上、下限閾值。該傳感器維護(hù)便捷，成本低廉，非常適合應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2.3 濕度傳感器

濕度傳感器也是該監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備。該系統(tǒng)使用高精度、體積小、能耗低的三端口單總線數(shù)字傳感器DHT11作為濕度傳感器。DHT11是一款已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)的濕度校驗(yàn)室校準(zhǔn)好的數(shù)字信號(hào)輸出傳感器。該產(chǎn)品出廠時(shí)的測(cè)量濕度范圍是5%RH～95%RH，濕度誤差±5%RH；溫度范圍是-20～60 ℃，溫度誤差±2 ℃，滿足農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)使用條件。該濕度傳感器內(nèi)部集成了1個(gè)電阻式感濕器件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件，在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試，信號(hào)有效傳輸距離可以超過20 m。

2.4 直流電機(jī)調(diào)節(jié)電路

該監(jiān)控系統(tǒng)采用電壓為5 V的直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速約20 000 r/min。該系統(tǒng)采用五線四相的直流電機(jī)，采用的驅(qū)動(dòng)模塊為ULN2003芯片（是一個(gè)超大電壓、超大電流的復(fù)合晶體管陣列集成的芯片電路，含有7個(gè)硅材料NPN復(fù)合管，能夠驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和直流電機(jī)）。該電路是獨(dú)立的，芯片的輸入通過J46端子提供，芯片的輸出由J47端子引出。J46輸入對(duì)應(yīng)J47輸出。溫度或者濕度超出閾值會(huì)自動(dòng)觸發(fā)一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)給直流電機(jī)，電機(jī)開始工作，直至指標(biāo)穩(wěn)定電機(jī)才停止工作，達(dá)到自動(dòng)控制效果。

2.5 報(bào)警電路

該監(jiān)控系統(tǒng)采用電磁式蜂鳴器和發(fā)光二極管作為報(bào)警核心電路。溫濕度超過閾值，發(fā)光二極管以1 s為間隔不斷閃爍紅光，同時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提醒管理員處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)復(fù)位后可以獲取當(dāng)前溫度和濕度并且通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)顯示。假如將溫度和濕度上限分別設(shè)置為30 ℃和90%RH，當(dāng)設(shè)定好上下限閾值時(shí)，系統(tǒng)即會(huì)把當(dāng)前的溫濕度數(shù)值與設(shè)定的上限閾值作對(duì)比：如果當(dāng)前參數(shù)高于溫度或者濕度上限閾值任一項(xiàng)，則啟動(dòng)風(fēng)機(jī)降溫除濕，同時(shí)二極管閃爍及蜂鳴器報(bào)警；如果當(dāng)前環(huán)境的溫濕度處于下限和上限之間，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止且報(bào)警消除。同理，設(shè)定下限時(shí)的工作機(jī)制也一樣，從而自動(dòng)把溫濕度控制在閾值范圍內(nèi)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

給系統(tǒng)上電時(shí)先自動(dòng)初始化，讀取當(dāng)前環(huán)境溫濕度。用戶可以通過鍵盤手動(dòng)輸入溫濕度上、下限及啟動(dòng)直流風(fēng)機(jī)的指標(biāo)，并且通過LCD1602顯示。該系統(tǒng)本質(zhì)上為一個(gè)負(fù)反饋電路。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

通過Keil uVision4工具編寫模塊化C語言源程序，軟件設(shè)計(jì)部分主要包括溫度模塊、濕度模塊、顯示模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤掃描模塊和報(bào)警模塊等6個(gè)子程序。

3.2.1 溫度模塊設(shè)計(jì)。DS18B20作為國內(nèi)應(yīng)用廣泛且穩(wěn)定性高的數(shù)字溫度傳感器，其輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。編寫溫度模塊程序時(shí)，時(shí)序要求最為嚴(yán)格，必須十分精確。該模塊通過ds18b20init()函數(shù)進(jìn)行初始化，通過ds18b20wr(uint8 dat)函數(shù)進(jìn)行寫數(shù)據(jù)，通過ds18b20rd()函數(shù)進(jìn)行讀數(shù)據(jù)。讀取溫度時(shí)先要進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)要注意溫度有正負(fù)值及保留1位小數(shù)。

3.2.2 濕度模塊設(shè)計(jì)。DHT11軟件程序設(shè)計(jì)先要注意檢查是否有該硬件，通過DHT11_Check()函數(shù)判斷是否存在，有即返回1，否則為0。使用前也必須先將其初始化，程序通過DHT11_Init()函數(shù)對(duì)濕度傳感器初始化。DHT11_Read_Bit(void)函數(shù)表示從濕度傳感器按位讀取數(shù)據(jù)，DHT11_Read_Byte(void)函數(shù)是指從傳感器中按字節(jié)讀取數(shù)據(jù)。為了避免讀數(shù)據(jù)出錯(cuò)，程序設(shè)定函數(shù)返回值為1是正常，返回值為0是失敗，每次讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間不能太短，否則會(huì)不準(zhǔn)確，系統(tǒng)設(shè)置不少于100 ms。

3.2.3 顯示模塊設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過LCD1602顯示溫度和濕度。通過lcd_init_display()函數(shù)對(duì)LCD初始化顯示，data_pros()函數(shù)處理溫度和濕度顯示并且對(duì)有效位數(shù)進(jìn)行處理，可以顯示切換的溫度、濕度上限和下限。

3.2.4 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)。報(bào)警模塊主要是驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和蜂鳴器電路。設(shè)計(jì)通過baojinpros()函數(shù)進(jìn)行報(bào)警處理。發(fā)光二極管分降溫濕指示燈和升溫濕指示燈2種，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)溫度或者濕度高于設(shè)定上限值時(shí)，降溫濕指示燈亮；檢測(cè)溫度或者濕度低于設(shè)定下限值時(shí)，升溫濕指示燈亮；兩種情況下蜂鳴器均會(huì)報(bào)警提示用戶。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要是通過單片機(jī)控制ULN2003D模塊輸入、輸出。報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)給直流電機(jī)，可以通過motospeed(uint16 i)函數(shù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)，并且溫度和速度范圍可以通過鍵盤程序進(jìn)行設(shè)置。此外，該監(jiān)控系統(tǒng)以10倍范圍設(shè)置了3個(gè)擋位速度，便于快速反應(yīng)。

3.2.5 鍵盤掃描模塊設(shè)計(jì)。程序通過key_pros()函數(shù)進(jìn)行按鍵處理，包括對(duì)溫度和濕度上、下限的加法減計(jì)算。

4 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試

該監(jiān)控系統(tǒng)采用C語言編程，通過Proteus軟件仿真測(cè)試和Keil軟件燒錄進(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行效果良好。

傳感器采集、接收環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將單片機(jī)處理后的信號(hào)通過LCD1602顯示，超過預(yù)設(shè)閾值觸發(fā)報(bào)警，提示管理員及時(shí)處理。如果未觸發(fā)報(bào)警，則系統(tǒng)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，比對(duì)系統(tǒng)閾值。該系統(tǒng)精確度高，能耗小，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)誤差較小，能滿足普通農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。單片機(jī)系統(tǒng)目前已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)多月，未出現(xiàn)錯(cuò)誤。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，各指標(biāo)均滿足生產(chǎn)生活需要，適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化溫濕度監(jiān)控。系統(tǒng)可拓展性強(qiáng)，誤差小，穩(wěn)定性強(qiáng)，功耗低，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境溫濕度監(jiān)控具備自動(dòng)測(cè)試調(diào)節(jié)能力，可以在降低成本的同時(shí)提高精度。此外，該系統(tǒng)可以通過采用精度更高的傳感器，增加更多必要的功能，持續(xù)優(yōu)化，為我國農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)健康發(fā)展提供支撐。