基于單片機(jī)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在溫室種植管理中，傳統(tǒng)管理方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)控制，如空氣溫度、濕度等。鑒于此，文章提出一款基于單片機(jī)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行持續(xù)監(jiān)管，營(yíng)造良好的田間環(huán)境，進(jìn)而提升農(nóng)作物的生長(zhǎng)效率。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫室環(huán)境；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP312" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：何兵（1981— ），男，講師，學(xué)士；研究方向：電子技術(shù)。

0" 引言

采用在溫室大棚中種植農(nóng)作物的方式既可以使農(nóng)作物增產(chǎn)、增收，還可以促進(jìn)溫室大棚的節(jié)能效果，有效防控病蟲害問(wèn)題，最終使種植經(jīng)營(yíng)者的經(jīng)濟(jì)效益最大化。隨著科學(xué)技術(shù)的廣泛推廣和應(yīng)用，在溫室大棚農(nóng)作物的種植管理期間，有機(jī)結(jié)合科學(xué)技術(shù)措施具有可行性，有利于進(jìn)一步提升農(nóng)作物的種植效率。但對(duì)于科技化的溫室環(huán)境構(gòu)建，還必須給出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，營(yíng)造相對(duì)獨(dú)立的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，從而徹底擺脫傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)自然環(huán)境的高度依賴。

1" 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)以單片機(jī)控制為核心，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境中溫度、濕度等植物生長(zhǎng)條件的自動(dòng)化控制，由此起到替代人力、提高田間管理效率的作用?？刂葡到y(tǒng)的檢測(cè)功能主要結(jié)合相關(guān)的傳感器實(shí)現(xiàn)，例如：濕度傳感器、空氣溫度傳感器、光照傳感器等。通過(guò)相關(guān)傳感器對(duì)溫室內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行采集，所得信息再經(jīng)過(guò)模數(shù)輸入通道轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)控制系統(tǒng)，由單片機(jī)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析，作出相應(yīng)的判斷。根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)溫室環(huán)境內(nèi)的溫、濕度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)整、控制大棚內(nèi)各項(xiàng)自然參數(shù)的目標(biāo)。

為了方便工作人員及時(shí)了解大棚環(huán)境，根據(jù)大棚環(huán)境的具體狀態(tài)，本文給出了切合實(shí)際的干預(yù)措施。例如：在系統(tǒng)中配備LCD顯示設(shè)備，以實(shí)時(shí)顯示大棚空間環(huán)境的各項(xiàng)實(shí)時(shí)參數(shù)。另外，為了便于工作人員對(duì)溫室環(huán)境的管理、控制，在系統(tǒng)中還配有遠(yuǎn)程控制功能，相關(guān)工作人員可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)大棚溫室的溫度、濕度，進(jìn)而保持良好的溫室環(huán)境［1］。

2" 單片機(jī)的選擇

根據(jù)溫室大棚溫度控制的實(shí)際需求，本文選擇AT89C51系列單片機(jī)，該類單片機(jī)集成了微處理器、存儲(chǔ)器、只讀程序存儲(chǔ)器、輸入/輸出電路、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行通信口、驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、鍵盤、LED顯示電路的擴(kuò)展以及硬件時(shí)鐘電路等結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)小且功能性完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些結(jié)構(gòu)能夠在程序控制下，準(zhǔn)確、迅速、高效地執(zhí)行程序，繼而完成預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)任務(wù)。例如，存儲(chǔ)器可以存放監(jiān)控程序、采集程序、顯示程序、通信程序、自動(dòng)控制設(shè)備程序等。相關(guān)程序的有機(jī)聯(lián)動(dòng)，可以使溫室環(huán)境控制自動(dòng)化，滿足植物的生長(zhǎng)需求。與微處理器有所不同，單片機(jī)可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制，這為系統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行提供了可靠保障，從而能夠有效應(yīng)對(duì)一系列突發(fā)情況，例如，當(dāng)主機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障、通信信號(hào)異常等情況時(shí)，單片機(jī)可基于程序自動(dòng)化運(yùn)作。因此，該單片機(jī)適用于本文提出的溫室環(huán)境自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3" 基于單片機(jī)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1" 控制系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由傳感器、控制器、人機(jī)界面、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器等，用于采集各類數(shù)據(jù)；控制器用于自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備，可以根據(jù)傳感器檢測(cè)到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化操控；人機(jī)界面主要是溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的顯示單元，可以對(duì)溫室中的溫度、濕度、CO2濃度等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，與此同時(shí)，工作人員也可以通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行溫室環(huán)境的個(gè)性化調(diào)整；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于對(duì)溫室內(nèi)燈光、風(fēng)機(jī)、水泵等進(jìn)行控制，確保營(yíng)造一個(gè)適宜的環(huán)境條件，提升農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育效率。

就控制系統(tǒng)原理而言，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)小型分布式的數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，主要通過(guò)數(shù)據(jù)采集工作站中的相關(guān)傳感器進(jìn)行環(huán)境溫度、濕度、CO2濃度的收集。數(shù)據(jù)采集工作站運(yùn)行時(shí)，既可以根據(jù)實(shí)際情況獨(dú)立完成各種化工信息采集任務(wù)，又可以執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，如可以根據(jù)控制中心傳送的指令參數(shù)，啟動(dòng)增降溫設(shè)備、加濕除濕設(shè)備、遮陽(yáng)補(bǔ)光設(shè)備等，從而滿足溫室微氣候環(huán)境調(diào)整的要求?？刂葡到y(tǒng)還包括上位機(jī)，可以將工作站傳來(lái)的數(shù)據(jù)及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的在線數(shù)據(jù)，以曲線的方式進(jìn)行顯示。系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠被及時(shí)存儲(chǔ)，一般可以保存一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)的數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)可以作為資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，通過(guò)分析結(jié)果可以對(duì)溫室控制的成果進(jìn)行總結(jié)，以便工作人員對(duì)控制器進(jìn)行優(yōu)化改善［2］。

3.2" 傳感器的選擇

在基于單片機(jī)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇傳感器是確保溫室環(huán)境控制質(zhì)量的關(guān)鍵。在具體的傳感器選擇過(guò)程中，研究人員主要從傳感器的測(cè)定范圍出發(fā)，保障傳感器的測(cè)定范圍有效，確保溫室環(huán)境溫度適宜；保障傳感器具有一定的靈敏性，及時(shí)感知溫室環(huán)境的變化。研究人員在選擇傳感器時(shí)，對(duì)比了多種型號(hào)的傳感器，最終選擇了性價(jià)比最佳的傳感器，包括DS18B20數(shù)字溫度傳感器、DHT11濕度傳感器、BH1750FVI數(shù)字光強(qiáng)度傳感器等。

3.3" 控制器的選擇

研究人員在進(jìn)行溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)控制器的選擇進(jìn)行了深入分析。從實(shí)際需求出發(fā)，控制器應(yīng)具備功能可靠性，能夠與單片機(jī)的溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合；同時(shí)該設(shè)備單元還應(yīng)具備穩(wěn)定性，如在長(zhǎng)期投入使用過(guò)程中，控制器的功能應(yīng)保持良好?；谏鲜鲂枨?，在控制器的選擇階段，研究人員對(duì)市面上的控制器型號(hào)、種類進(jìn)行了深入的對(duì)比、分析，從最優(yōu)性價(jià)比角度出發(fā)，選擇了適宜的控制器——ATmega328P控制器［3］。

3.4" 溫室系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

3.4.1" 溫室環(huán)境的控制

在溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，研發(fā)人員主要從控制對(duì)象、調(diào)節(jié)器2部分出發(fā)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，溫室控制系統(tǒng)須要具備穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性，同時(shí)要使這3種性能平衡。若其穩(wěn)定性過(guò)高，則其快速性會(huì)受到限制；若其快速性較強(qiáng)，則可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)。鑒于此，針對(duì)溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究人員對(duì)調(diào)節(jié)器選擇進(jìn)行了深入分析，考慮到監(jiān)測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)性變化，最終，從算法上進(jìn)行了設(shè)計(jì)規(guī)劃，解決了溫室環(huán)境的控制問(wèn)題。

3.4.2" 模糊控制

在溫室農(nóng)作物的種植管理過(guò)程中，涉及多種因素的影響，包括溫度、濕度、光照度、CO2濃度等。而以上相關(guān)因素的變動(dòng)也存在不可預(yù)知性，如在外界持續(xù)降雨的天氣下，必然會(huì)對(duì)溫室環(huán)境狀態(tài)造成沖擊。對(duì)于外界客觀環(huán)境的突發(fā)影響，溫室大棚種植管理者可以從經(jīng)驗(yàn)角度進(jìn)行控制，包括雨后的及時(shí)通風(fēng)、排濕以及室內(nèi)的增溫等，從而為植物的生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)適宜的環(huán)境。針對(duì)自動(dòng)化控制，常規(guī)的自動(dòng)化控制模式僅能基于室內(nèi)特點(diǎn)給出有效的應(yīng)對(duì)方式，對(duì)于突發(fā)的環(huán)境變化通常具有反應(yīng)遲緩的現(xiàn)象，這并不利于大棚植物的健康成長(zhǎng)。

考慮到這種問(wèn)題，研究人員在具體的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，給出了模糊控制方案。模糊控制方案是指仿人類思維，對(duì)相關(guān)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行擬定控制程序設(shè)計(jì)，進(jìn)而提出模擬控制算法，通過(guò)模糊控制到輸出確切的控制值實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精細(xì)化控制［4］。

3.5" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的主要控制平臺(tái)，結(jié)合實(shí)際需求，軟件控制主要包含2個(gè)部分：一部分是以單片機(jī)為核心的儀表、傳感器監(jiān)控程序，該部分主要利用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè)、控制；另一部分為上位機(jī)可視化管理系統(tǒng)，該部分軟件程序主要使用Visual Basi C編程，軟件程序控制的側(cè)重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)各終端儀表的管控、協(xié)調(diào)控制，該部分在一般情況下并不會(huì)直接參與控制。這2部分軟件在功能上具有一定的相似性，相關(guān)控制參數(shù)既可以在智能儀表上進(jìn)行設(shè)定，又可以在計(jì)算機(jī)控制單元上進(jìn)行調(diào)整。例如，對(duì)于溫度的上下限設(shè)定，可以從以上2個(gè)渠道進(jìn)行設(shè)置。該軟件部分具有獨(dú)立性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

4" 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

4.1" 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

待完成對(duì)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，擬建了實(shí)際的溫室環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)功能的測(cè)定及調(diào)整。本文搭建了長(zhǎng)1.2 m、寬0.8 m、高1.7 m的模擬溫室。溫室墻體采用亞克力板材料進(jìn)行建設(shè)，考慮到后墻承重需求，后墻材料選擇硬度較高的硬塑板；蓋板同樣采用亞克力板，可以保障采光效果良好。地板采用角鋼進(jìn)行固定，安裝了滑輪，以方便移動(dòng)控制。待硬件基礎(chǔ)施工建設(shè)完成后，工作人員安裝溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)備，包括在相應(yīng)的位置安裝控制器、電源、傳感器等。最終，本文完成了溫室環(huán)境的構(gòu)建，確保溫室環(huán)境控制系統(tǒng)具備良好的功能效果［5］。

4.2" 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)測(cè)試

在完成溫室環(huán)境基礎(chǔ)構(gòu)建后，研究人員在溫室內(nèi)種植常規(guī)農(nóng)作物，選擇生長(zhǎng)速度較快的馬鈴薯作為測(cè)試樣本。為了確保系統(tǒng)測(cè)試的有效性，研究人員采用對(duì)比法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)組在溫室內(nèi)進(jìn)行種植，對(duì)照組在常規(guī)環(huán)境下種植。在試驗(yàn)組的植物種植過(guò)程中，按照科學(xué)的環(huán)境參數(shù)對(duì)單片機(jī)中的控制程序進(jìn)行設(shè)置；對(duì)照組按照一般的種植方式進(jìn)行作業(yè)。在2組幼苗的田間管理工作中，工作人員給予相同的水、肥供給量，共持續(xù)60 d。在此過(guò)程中，研究人員每隔5 d記錄一次試驗(yàn)組、對(duì)照組的植物生長(zhǎng)狀況。結(jié)果表明，溫室中的馬鈴薯植株生長(zhǎng)發(fā)育更為茂盛，植株更高、葉片更大。最終，在植物收獲期間，溫室環(huán)境內(nèi)的馬鈴薯產(chǎn)量更高，馬鈴薯果實(shí)的體積更大。由此可知，該溫室控制系統(tǒng)能夠有效促進(jìn)馬鈴薯農(nóng)作物的生長(zhǎng)，獲得更高的產(chǎn)量。另外，在種植測(cè)試過(guò)程中，研究人員還對(duì)溫室控制方案中的模糊模式進(jìn)行了測(cè)定，同樣能夠使農(nóng)作物產(chǎn)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，證明了所提方案能夠?yàn)檗r(nóng)作物的健康成長(zhǎng)營(yíng)造良好條件。

5" 結(jié)語(yǔ)

伴隨著時(shí)代發(fā)展，在農(nóng)業(yè)種植過(guò)程中有機(jī)結(jié)合信息技術(shù)具有可行性，但如何合理地利用信息技術(shù)并發(fā)揮出信息技術(shù)的最大化價(jià)值則是需要認(rèn)真研究的課題。本文基于單片機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于溫室環(huán)境的控制中，設(shè)計(jì)了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)控制、超限報(bào)警等功能。在開發(fā)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)后，研究人員及時(shí)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠切實(shí)發(fā)揮溫室環(huán)境的控制作用，促進(jìn)農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

參考文獻(xiàn)

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（編輯" 沈" 強(qiáng)）

Design of greenhouse environment control system based on single-chip microcomputer

HE" Bing

（Taixing Secondary Vocational School， Taixing 225400， China）

Abstract： In the greenhouse cultivation management， the traditional management method cannot achieve the precise control for the environmental parameters， such as air temperature and humidity. In view of this， this paper proposes a greenhouse environment control system based on the single-chip microcomputer. This system can continuously monitor the greenhouse environment， create a good field environment， and improve the growth efficiency of crops.

Key words： single-chip microcomputer; greenhouse environment; control system; design