基于AT89C51 的北方設施農業(yè)大棚溫控系統設計

賈超，侯彥澤，張奧

（1.內蒙古工業(yè)大學 內蒙古呼和浩特，010010；2.大連市氣象服務中心，遼寧大連，116001）

0 引言

智慧設施農業(yè)是指在室內或半室內利用現代信息技術和智能化設備，對農業(yè)生產過程中的種植、養(yǎng)殖、管理等進行全方位、全過程的智能化管理，以提高農業(yè)生產效率、質量和可持續(xù)發(fā)展水平的一種農業(yè)生產方式。目前，荷蘭的設施農業(yè)技術已經發(fā)展成為一個高度智能化、自動化和數字化的農業(yè)生產系統。日本、以色列、美國等國在設施農業(yè)領域的自動化和智能化程度較高，具有一定的特色和優(yōu)勢[1]。我國的設施農業(yè)發(fā)展，主要以溫室和大棚為主。2016 年，我國設施農業(yè)總面積已經達到1.8 億畝，占全國耕地面積的8.3%，已然成為我國農業(yè)生產的重要組成部分。通過采取政策、財政和技術支持，市場推廣，建設示范基地等措施，加大發(fā)展設施農業(yè)的支持力度，加速提升相關產業(yè)的自動化、數字化和智能化程度，效果顯著[2]。

首先，設施農業(yè)的南北地區(qū)經濟發(fā)展不均衡，呈現“南強北弱”的格局[3]。其次，相較發(fā)達國家，我國相關技術水平還存在差距，仍有提升空間。再次，設施農業(yè)的成本較高，這成為制約該產業(yè)發(fā)展的一個因素[3]。最后，設施農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要綠色低碳節(jié)能的技術作為支撐。

針對我國北方設施農業(yè)發(fā)展面臨的問題，本文提出一種基于AT89C51 的設施農業(yè)控制系統設計方案。

1 設計方案

系統設計內容是通過物聯網技術，制作出能夠實現控制農業(yè)大棚內環(huán)境、故障調整、異常報警，信息無線上傳、遠程終端監(jiān)控功能的智能農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統。基于物聯網和AT89C51 的智能農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統由硬件系統和軟件系統構成，利用ESP8266 通信模塊可通過MQTT協議與云端以及終端 產生有效連接，實現遠程通信、遠程監(jiān)控功能[4,5]。

■1.1 硬件系統設計

硬件系統是智能農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統的骨干，它由程序調控，通過驅動電路對外設進行操作，充分發(fā)揮無線通信的優(yōu)勢，實現數據的上傳顯示和遠程操控，故本系統設計思路如下。

1.1.1 主控硬件框架

鑒于北方大棚農業(yè)生產的現實情況，從成本角度出發(fā)，本著簡單實用的設計思路對硬件電路進行設計。硬件結構由六部分組成，分別是主控模塊、傳感模塊、顯示模塊、驅動模塊、通訊模塊和電源模塊。

（1）主控模塊：主控芯片是AT89C51 型單片機，采用愛特梅爾公司（ATMEL）設計生產的MCS-51（是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O 口和中斷系統、定時器/計時器等功能集成的電路芯片）作為微控制器，可直接連接驅動電路，負責處理接收到的數據并產生控制信號來喚醒驅動模塊；

（2）傳感模塊：由布設在大棚空間內多個不同區(qū)域預設點位的溫度傳感器、濕度傳感器和光敏傳感器構成，負責采集大棚內環(huán)境各預設點位的溫度、濕度和光照數據；

（3）顯示模塊：其核心部件是SMG12864ZK 液晶顯示模塊，負責實時顯示大棚內各項指定的環(huán)境監(jiān)測數據；

（4）驅動模塊：主要負責將弱電轉換為強電，驅動和控制如通風照明系統、滴灌系統和采暖系統等外設，產生相應的執(zhí)行動作，對大棚內環(huán)境進行調節(jié)，且數據異常時可觸發(fā)預警系統；

（5）通訊模塊：采用ESP8266 模塊（是一款高性能的WiFi 串口模塊，內部集成MCU 能實現單片機之間串口通信，是目前使用最廣泛的一種WiFi 模塊之一，可將其簡單理解為一個WiFi 轉串口的設備）進行云端連接，通過主控板的UART 端口（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 通用異步收發(fā)器，芯片間的通信接口）實現數據信息的系統與終端間交互，即可實現將主控模塊處理的數據上傳云端，下傳控制指令；

（6）電源模塊：負責將市電轉換為穩(wěn)定地電路的額定電流和電壓驅動整體電路正常工作。特別指出的是，供電設計采用扁平耦合器TLP127（適用于貼片安裝，包含一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，該二極管光耦合到一個達林頓光電晶體管，適合工作范圍為-55℃～100℃）為供電電路消除前期噪聲，防止漏電情況發(fā)生。

圖1 硬件組成框圖

1.1.2 供電安全及顯示

基于AT89C51 的農業(yè)大棚控制電路設計中，扁平耦合器TLP127 可以用于隔離輸入輸出信號，防止信號干擾和電氣隔離，提高系統的穩(wěn)定性和可靠性。具體來說，AT89C51單片機的輸入輸出電路是通過晶體管或MOS 管來完成的，其與外界存在電學連接，使輸入輸出端口易受到外部電氣噪聲或漏電流等異常信號干擾，導致單片機運行不穩(wěn)定甚至崩潰。扁平耦合器TLP127 通過光學信號隔離輸入輸出信號，避免了電學連接，從而有效地消除電氣噪聲和漏電流等異常信號的干擾，提高了系統的穩(wěn)定性和可靠性。該耦合器還具有高耐電壓、高速響應、小封裝體積的特點，被廣泛地應用于農業(yè)大棚控制電路中。

SMG12864ZK 模塊是128×64 點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置國標GB2312 碼簡體中文字庫、128 個字符及64×256 點陣顯示RAM。提供8位并行、串行兩種連接方式和兩種界面來連接微處理機。具有光標顯示、畫面移位、睡眠模式等功能?？梢燥@示三種字型，三種字型的選擇由寫入DDRAM 中的編碼決定。

圖2 SMG12864ZK 的8 位并行電路連接示意圖

■1.2 軟件系統設計

為突出簡約實用的特點，更好地適用于北方農業(yè)大棚生產，結合成本等多方面現實因素考量，在保留現有設施農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統優(yōu)勢的基礎上，對其功能進行了整合和簡化，主程序設計采用模塊化設計理念，使其脈絡簡潔清晰，便于查找問題和后期運維。主程序包含初始化程序模塊、數據采集程序模塊、數據傳輸程序模塊、控制程序模塊、預警程序模塊。主程序框圖見圖3。

圖3 主程序框圖

各個程序子模塊的功能設計如下：

（1）初始化程序模塊：用戶驗證信息后登錄，程序即進入初始化操作流程。程序初始化同時完成網絡傳輸初始化、狀態(tài)開關初始化、模擬采集量初始化、數字采集量初始化、驅動初始化五個部分工作。初始化的目的是完成對各個管腳復位、清空臨時緩存、設定數據采集頻次為20～60s/次，默認60s，設定數據上傳時間間隔5～10min/次，系統默認5min/次。

圖4 初始化流程

（2）數據采集程序模塊：大棚內各預置設定點位的傳感器，通過識別主控芯片發(fā)出的相應指令完成對大棚內各項環(huán)境參數的采集和數字濾波處理工作。

圖5 數據采集流程

（3）數據傳輸程序模塊：完成數據上傳與命令接收。按照(1)中的相應的規(guī)定時間間隔設定，將規(guī)定時間間隔內獲得的數據打包傳輸至云端，且實時接收云端發(fā)出的控制指令，實現遠程控制和信息交互。

（4）控制程序模塊：對各預設點位采集到的數據進行處理和判斷，對不同的外設生成相應的控制信號，最終由驅動單元對執(zhí)行外設進行控制，達到及時調節(jié)大棚內環(huán)境參數的目的。

（5）預警程序模塊：監(jiān)控各外設和既定程序是否正常運轉，依據閾值設定預警環(huán)境參數的異常，利用斷點判斷程序是否正常，如程序“卡死”即預警，并自動重啟。外設設有程序手動復位開關和終端界面故障燈亮起等提示性功能。

■1.3 網絡設計

網絡架構，是智慧設施農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統設計的核心，是聯系各功能執(zhí)行硬件、實現數據傳輸和協調外設的紐帶。本系統的網絡設計由物聯網、通信協議、云端配置和Web 界面四個部分構成。

1.3.1 物聯網架構

物聯網由傳感層、網絡層、交互層和應用層組成。傳感層主要是負責通過傳感器來識別和收集信息，AT89C51 主控板通過不同接口形式的傳感數據來學習傳感層的數據構成；網絡層負責傳輸上述信息，利用AT 指令，將數據通過WiFi 傳送到物聯網云端。交互層負責數據的鑒權、接入和轉發(fā)。通過阿里云和MQTT 協議，接入云平臺需要的鑒權方式。應用層負責結合具體的應用需求，利用可視化工具，建立服務、Web 顯示、調度和控制界面，便捷地編制出終端控制的APP 在云端上對數據進行計算和處理，以此來實現智能化的物聯網應用。

1.3.2 通信協議

目前，物聯網硬件控制單元與用戶終端通信方式多數是基于HTTP，即超文本傳輸協議，但存在對網絡資源消耗較大、延遲較高等問題，無法滿足需求[3～7]。而紫峰通信協議Zigbee 易受干擾，遠距離通信能力不佳，應用在遠程物聯網智慧設施農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統中會放大這一劣勢[6,7]。MQTT 協議是基于客戶端到服務器，支持消息發(fā)布和訂閱的消息傳輸協議[7]，其代碼占用空間低，可應用于高延遲、寬帶有線網絡。阿里云平臺，其遠程通信（MQTTNbiot）通過公有云代理服務器進行，由API 接口可連接到阿里云平臺。UI 界面簡潔易學，可按需定制功能。提供相應的Web 頁面，支持云存儲，數據處理等操作。采用MQTT 協議，這與當下的使用環(huán)境更加匹配，AT89C51 主控板也可兼容。

1.3.3 云端配置

監(jiān)測功能是智慧設施農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統的主體功能，利用傳感器、無線網絡等技術優(yōu)勢，以阿里云為云端平臺為媒介，通過無線網絡模塊上傳數據，將獲得的信息形成可視化UI 界面，為用戶提供更加便捷可靠的使用體驗。登錄云端后，在設置選項中顯示實際應用場景涉及的大多數常見功能屬性，用戶可根據需求挑選需要監(jiān)管控制的功能屬性，實現個性化定制。

圖6 自定義功能界面

依據用戶需求設定屬性和功能后，即可以進入個人定制的狀態(tài)監(jiān)控界面，通過云端與大棚的數據傳輸，實現對設施農業(yè)大棚內環(huán)境的遠程監(jiān)控。可結合實時顯示的各項數據，實現對大棚內環(huán)境參數的遠程手動管理和外設的控制功能。

圖7 Web 界面

智能農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統是一款以計算機、物聯網等技術緊密綜合的智能服務系統，雖然以物聯網應用為基礎，在智能化、數據化管理、實時監(jiān)測、遠程控制等方面有著明顯的優(yōu)勢，但也面臨著一定的技術風險等劣勢。首先是安全風險問題。AT89C51 的芯片安全性較低，容易受到攻擊和惡意軟件的侵害。其中，監(jiān)控系統需要通過云計算和物聯網技術進行數據傳輸和交互，存在網絡安全問題。對于該問題至今仍在尋求和嘗試低成本且效果良好的解決方案。

2 結語

自“十四五”規(guī)劃以來，我國為更好地保障人民的“糧袋子”和“菜籃子”，一直在智慧設施農業(yè)技術發(fā)展創(chuàng)新方面給予高度關注和大力支持。本文所述的智慧農業(yè)大棚內環(huán)境監(jiān)控系統，以云端定制和優(yōu)良的響應度為特色，為北方設施農業(yè)智能化、增效節(jié)能化提供了一種可行方案和數據支撐，雖仍存在不足，但能滿足北方設施農業(yè)的日常生產需求。同時該方案也會依據用戶需求和反饋以及創(chuàng)新理念進行不斷迭代，為北方設施農業(yè)生產技術發(fā)展提供數據支撐。