基于單片機(jī)的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計

史晨浩，李成創(chuàng)，余佳慶，裴翔毅，陳明淑

（西京學(xué)院，陜西西安，710123）

0 引言

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式比較單一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程是人工監(jiān)控，信息的傳達(dá)比較滯后，不能夠進(jìn)行實(shí)時地反饋，使得“溫室大棚變成了低效率、高成本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?！被诰珳?zhǔn)的傳感器進(jìn)行監(jiān)測，利用云計算等技術(shù)進(jìn)行多層次分析，并將分析指令與各種控制設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理?？梢杂行У夭杉r(nóng)業(yè)場所的空氣濕度、土壤濕度、溫室溫度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因素，以便于為農(nóng)產(chǎn)品的生長創(chuàng)造最佳條件，避免外界四季變化對其影響，并通過建設(shè)完成環(huán)境監(jiān)測、病蟲害監(jiān)控等功能。

1 總體方案設(shè)計與實(shí)施方案

根據(jù)農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)管理的實(shí)際需求，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動效率為核心，按照農(nóng)作物的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后全產(chǎn)業(yè)鏈條，打造數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)方案。該“溫室大棚”溫濕度采集控制系統(tǒng)具有環(huán)境感知控制系統(tǒng)和反饋控制技術(shù)裝備等的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知控制技術(shù)體系與業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控預(yù)警、肥/水/藥智能實(shí)施等。溫濕度采集控制方框圖如圖1 所示。

圖1 溫濕度控制方框圖

系統(tǒng)以單片機(jī)控制器為控制核心，以物聯(lián)網(wǎng)為連接回路、節(jié)點(diǎn)作為執(zhí)行單元有線連接各種檢測傳感器和執(zhí)行控制元件，從而完成在本地子系統(tǒng)的自動控制。溫室大棚云平臺通過網(wǎng)絡(luò)連接網(wǎng)關(guān)，對各子系統(tǒng)進(jìn)行控制，平臺系統(tǒng)控制設(shè)計應(yīng)按照手動控制、自動控制的模式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（1）以軟件平臺為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。通過現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程采集項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息參數(shù)，如氣象信息、土壤信息、外圍設(shè)備等，用來顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。并對數(shù)據(jù)采用趨勢、報表等各種手段進(jìn)行快速的展示，并進(jìn)行顯示、分析、記錄、存儲、報警等功能。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括大棚環(huán)境信息的采集，設(shè)施的遠(yuǎn)程自動控制。視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括視頻信息采集、植物生長信息的采集、安防功能。自動氣象站實(shí)現(xiàn)小區(qū)域氣象信息的采集。戶外LED 屏，實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境信息、氣象信息、通知信息的滾動發(fā)布。無線音頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)農(nóng)業(yè)設(shè)施的語音控制。

（2）通過云平臺實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的智能控制。通過云平臺上實(shí)現(xiàn)對灌溉閥門、水肥一體化設(shè)備進(jìn)行智能控制，同時設(shè)計開發(fā)手機(jī)APP 登錄平臺對現(xiàn)場的信息進(jìn)行查看或泵閥進(jìn)行控制。

2 控制系統(tǒng)的軟硬設(shè)計

■2.1 溫濕度檢測電路設(shè)計

大棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)是通過DHT11 溫濕度傳感器進(jìn)行采集的，采集到的數(shù)據(jù)最后通過LCD1602 顯示器進(jìn)行顯示，本次設(shè)計對溫濕度的閾值使用按鍵進(jìn)行設(shè)計，分為4 個按鍵分別為開始、加鍵、減鍵、復(fù)位。當(dāng)按下按鍵的時候，就可以進(jìn)行溫濕度的最高閾值和最低閾值的設(shè)置，加鍵和減鍵可以分別對溫濕度的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)整，使溫濕度達(dá)到目標(biāo)設(shè)置值，滿足控制系統(tǒng)的需求。

■2.2 土壤濕度檢測電路設(shè)計

為了使土壤濕度檢測更加準(zhǔn)確，選用的是YL-69 土壤濕度傳感器，該傳感器模塊是四線制，需要的電源為+5V，接口DO 是數(shù)字量輸出接口傳遞出0 和1，AO 接口是能輸出電壓模擬量。將該傳感器與主控電路連接，可以檢測土壤濕度，也設(shè)置了4 個按鍵，分別為開始、加鍵、減鍵、復(fù)位，通過閾值的設(shè)置，在DO 接口的閾值調(diào)節(jié)上，當(dāng)順時針調(diào)節(jié)單位器，其控制的濕度限度就會變大，同理逆時針旋轉(zhuǎn)式，其控制的濕度限度就會變小，更加靈敏。

■2.3 總體硬件電路圖設(shè)計

總結(jié)硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示，分別使用了DHT11 溫濕度傳感器，光照傳感器，土壤濕度傳感器模塊的組合來實(shí)現(xiàn)對大棚環(huán)境的監(jiān)測。首先使用溫濕度傳感器對大棚內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行整體監(jiān)測，同時使用光照傳感器監(jiān)測當(dāng)前大棚內(nèi)部的整體光照情況是否合格達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，使用扎根于土壤中的YL-69 土壤濕度傳感器模塊監(jiān)測土壤中水分含量是否合格達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，傳送數(shù)據(jù)至單片機(jī)，通過LCD 顯示設(shè)備，實(shí)時顯示出當(dāng)前溫度數(shù)值，實(shí)時顯示出當(dāng)前濕度數(shù)值，可以通過相應(yīng)按鍵調(diào)整適合于農(nóng)作物的適當(dāng)上下閾值，在單片機(jī)內(nèi)部與預(yù)設(shè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，倘若發(fā)生數(shù)值超過限定范圍就發(fā)生蜂鳴器報警以及LED 燈報警。

圖2 總體硬件電路圖設(shè)計

■2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本項(xiàng)目在Keil μVision4 C51 軟件中編程實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)的整體設(shè)計流程圖如圖3 所示，溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分是主要由單片機(jī)發(fā)出指令對溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器模塊進(jìn)行操作命令，使其正常運(yùn)行，同時溫濕度傳感器模塊對溫室大棚內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的溫度和濕度參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對校驗(yàn)，當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)值不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)時，觸發(fā)蜂鳴器報警方式，并將數(shù)值實(shí)時顯示在顯示屏上。

圖3 系統(tǒng)的整體設(shè)計流程圖

各個傳感器模塊開始工作的時候，都會與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，要是超出了預(yù)設(shè)值，蜂鳴器就會報警，主控器會打開外圍設(shè)備，針對不同的需求進(jìn)行動作，若是沒有超出預(yù)設(shè)值的時候，就會實(shí)時的數(shù)據(jù)就會顯示在LCD 顯示屏上，并與網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)方便被實(shí)時地掌握。

3 控制系統(tǒng)主要子模塊調(diào)試

■3.1 溫濕度監(jiān)測調(diào)試

通過硬件電路設(shè)計和軟件程序編寫，完成了溫室大棚的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)。通過實(shí)物調(diào)試，達(dá)到了控制系統(tǒng)的要求。首先，對溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，再通過按鍵對溫濕度進(jìn)行預(yù)設(shè)值設(shè)置；其次，溫濕度傳感器檢測到溫室大棚的實(shí)時溫濕度，并通過將實(shí)時的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，當(dāng)溫濕度在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的時候，系統(tǒng)正常工作，溫濕度顯示；當(dāng)溫濕度檢測不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的時候，蜂鳴器報警，LED指示燈亮起，溫濕度報警顯示；由于檢測的數(shù)值是實(shí)時動態(tài)范圍內(nèi)的，故當(dāng)有環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候，控制系統(tǒng)監(jiān)測到數(shù)值發(fā)生了變化，即可觸發(fā)報警和LED 指示燈亮起，以在傳感器周圍增加火源使溫度升高模擬環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化進(jìn)行溫濕度監(jiān)測，可以在顯示屏上看到溫度上升，濕度下降，環(huán)境因素變化值顯示如圖4 所示。

圖4 溫濕度監(jiān)測調(diào)試

■3.2 土壤濕度監(jiān)測調(diào)試

通過硬件電路設(shè)計和軟件程序編寫，完成了溫室大棚的土壤濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)。通過實(shí)物調(diào)試，達(dá)到了控制系統(tǒng)的要求。具體調(diào)試過程：首先，對土壤濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，再通過按鍵對土壤濕度進(jìn)行預(yù)設(shè)值設(shè)置；其次，土壤濕度傳感器檢測到溫室大棚的實(shí)時土壤濕度值，并通過將實(shí)時的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，當(dāng)土壤濕度在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的時候，系統(tǒng)正常工作；當(dāng)土壤濕度檢測不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的時候，蜂鳴器報警，LED 燈閃爍，土壤濕度報警顯示；由于檢測的數(shù)值是實(shí)時動態(tài)范圍內(nèi)的，故當(dāng)有環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候，控制系統(tǒng)監(jiān)測到了數(shù)值進(jìn)行了變化，即可發(fā)生報警和LED 燈閃爍，以在用水來接觸土壤濕度傳感器模擬環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化進(jìn)行土壤濕度監(jiān)測，可以在顯示屏上看到土壤濕度上升環(huán)境因素變化值顯示如圖5 所示。

圖5 土壤濕度監(jiān)測調(diào)試

■3.3 網(wǎng)絡(luò)平臺調(diào)試

網(wǎng)絡(luò)平臺主要設(shè)計實(shí)現(xiàn)了兩個平臺，一個是應(yīng)用手機(jī)藍(lán)牙與控制系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊連接，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)平臺調(diào)試；另一個是應(yīng)用微信平臺實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺調(diào)試，以便于農(nóng)戶可以不用去溫室大棚查看環(huán)境參數(shù)值，便可以輕松地通過手機(jī)查看環(huán)境參數(shù)的變化值，并通過手機(jī)進(jìn)行外圍設(shè)備的啟停工作。

調(diào)試過程：首先，打開手機(jī)APP，連接上ESP8266 模塊或者打開微信公眾號，顯示出當(dāng)前的實(shí)時溫度濕度數(shù)值和繼電器吸合狀態(tài)，手機(jī)APP 或微信公眾號顯示實(shí)時數(shù)值；其次，當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化的時候，網(wǎng)絡(luò)平臺可以進(jìn)行報警，報警界面；最后，可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行外圍設(shè)備的啟?？刂?，已達(dá)到溫室大棚需求的環(huán)境參數(shù)值，網(wǎng)絡(luò)平臺控制外圍設(shè)備啟停。

圖6 網(wǎng)絡(luò)平臺顯示實(shí)時數(shù)值

4 總結(jié)

該控制系統(tǒng)不僅解決了溫室大棚的智能化監(jiān)測的問題，而且實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度規(guī)?；?、集約化，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風(fēng)險的應(yīng)對能力，使弱勢的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)。