智能温室大棚控制系统

孟凡奥 何豪 刘晓芸 张凌飞

【摘要】为提高温室大棚内蔬菜的产量，及时掌握棚内温度、土壤湿度、CO2浓度和光照强度等参数，并进行实时测控，本文介绍一种基于单片机的智能温室大棚控制系统的结构、功能和原理，通过设定不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，从而实现温室大棚科学、智能化、高效率的管理。

【关键词】产量;测控;传感器;最佳环境参数;智能化

Abstract：In order to improve the production of vegetables in the greenhouse，to grasp temperature，soil humidity，concentration of carbon dioxide and intensity of illumination in greenhouse promptly and real-time monitoring.This paper describes the structure，function and principle of a intelligent greenhouse control system based on microcontroller.by setting the best environment parameters for different periods of crop growth to achieve greenhouse science，intelligent，efficient management.

Keywords：production;measuring and controlling;sensor;best environmental parameter;intelligent

1.引言

隨着现代经济的发展，人们日常生活水平的不断提高，新鲜蔬菜的需求量也日益增长。然而，面对当前人口多，人均耕地面积逐渐减少的现实，如何提高蔬菜产量显得尤为重要。目前农户在进行大棚种植过程中运用自行研制的控制系统不够优化，而引进的温室大棚控制系统运行费用相对昂贵，且大棚参数控制系统大多仍在使用单因子开关量进行环境因子的调节，然而温室内实际的光照、地温、湿度及CO2浓度等环境要素相互间彼此关联，如若改变某一环境因子，时常会附带地影响到其他参数，把其它环境因子变到一个不合适状态。因此，如何使得温室内有效参数可以相互独立调整且不互相影响，结合温室内蔬菜的生长模型，物理模型和温室生产的经济模式，设计开发出一种与我省温室种植生产现状相适应的环境控制优化系统。本系统选用精度较高的各类传感器件，完全体现了低成本、低功耗、便携易操作的特点，只需一个按钮，农户就能了解和控制自家大棚的温度、光照强度、空气湿度等，从而实现科学化种植以提高产量。

2.系统结构

2.1 系统的结构框图（如图1所示）

（a）采集端结构框图

（b）显示端结构框图

图1 系统结构框图

2.2 基本工作原理

该系统主要采用达盛科技EXP-89S51/52/53单片机CPU板（EXP-KEIL C51 V1.0）与EXP-III通用板配合完成各种应用电路扩展。系统分为采集端和显示端，采集端主要借助各种传感器将采集到的不同参数，通过模数转换送入单片机中处理之后，通过无线收发模块将处理结果发送至显示端，显示端再通过无线收发模块接收数据，继而送入单片机与当前设置参数进行比较并显示，若超过参数限制，则发送信号经采集端接收处理后，控制风扇等改变大棚内环境参数装置，最终达到温室大棚的科学、高效、智能化的管理。[1-2]

3.硬件系统

系统显示电路主要采用LCD12864液晶显示模块，直观显示光照、地温、湿度及CO2 浓度等参数;数据的传送及接受采用无线收发模块单片射频收发芯片nRF905，通过程序可以方便进行配置输出功率和通信频道。模数转换采用单片集成、单独供电、低功耗CMOS数据获取器件PCF8591[5-6]，在电路的连接上相对简单且端口可以灵活运用程序控制。

在传感器的选择中本着高精度、稳定性好、价格低廉等特点进行综合选择，DS18B20[3-4]能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，通过对上下警界温度的设置控制加热装置与散热装置的循环交替工作以控制室温;土壤湿度主要利用湿敏材料吸收空气中的水分导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。当检测到土壤湿度低于设定下限值时进行灌溉，当检测到土壤湿度高于设定上限值时，停止灌溉。光照强度主要借助于光敏电阻内光电效应，室内采用荧光灯作为人工增加光照的光源。荧光灯光谱能量中，红、橙光占44%-45%，（下转第24页）（上接第22页）绿、黄光占39%，蓝、紫光占16%，其中能被植物吸收的光能约占辐射光能的75%—80%，比较适合作为增加大棚蔬菜光照光源[7];CO2浓度利用红外二氧化碳气体传感器MH-711A进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长。系统电路分为采集与显示两部分如图2所示。

4.软件系统

4.1 软件执行的过程

采集控制输出部分：通电复位后程序开始工作，首先初始化传感器以及nRF905无线模块;接着发送数包（包含标识与采集数据）;接着监听信道，等待反馈命令;最后确定信道忙结束，从nRF905中获取控制命令，进行输出。

显示控制命令部分：上电复位后程序开始工作，首先初始化LCD屏幕，显示欢迎界面，根据按键可以在数据显示模式和参数设置模式间切换;默认为数据显示模式。当进入数据显示模式时，更新LCD，接着监听信道;信道空闲时，读取nRF905中的数据包，对数据进行更新显示;对比数据与临界值，然后发送反馈命令数据包。当进入参数设置模式时，LCD切换为参数设置界面，对各个按键电平进行判断，根据电平意义对参数设置进行位置选择和更新。

4.2 系统程序流程图（如图3所示）

图3 系统程序流程图

5.结束语

本系统的设计主要基于STC单片机，在系统设计过程中对各个模块电路都进行了优化设计，以满足测量过程中各个参数精度高和稳定性强的要求，系统的设计集软件编程、硬件设计和传感器技术为一体且系统整体电路制作成本低廉，便于操作，有较强实用性。自动采集、控制，完全可以实现大棚内环境参数最优化，达到农作物生长有利条件。在整个系统设计的过程中，存在一些问题，起初使用模数转换块时，基准电压值的不正确造成无法正常使用;无线发送模块的使用上，开始一次传输8字节数据，由于使用的器件不具备8字节传输功能，后修改为多次4字节数据包（1字节包头3字节有效数据）的分组发送，电路的功能可以进一步扩展。

参考文献

[1]赵建领.51系列单片机开发宝典[M].电子工业出版社，2012，2.

[2]袁东.51单片机应用开发实战手册[M].电子工业出版社，2011，4.

[3]沙占友，唱春来，范志广.由DS1820组成的单线数字温度计原理与应用[J].电测与仪表，1999（02）.

[4]刘威.基于DS18B20和nRF9E5的多点无线测温系统[D].吉林大学，2008.

[5]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社，2006，5.

[6]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006，5.

[7]周长吉.现代温室工程[M].化学工业出版社，2001，1.