设施农业大棚多点温度采集报警装置

张 宇,杨宏业,王 锐,蔡秋林

（内蒙古工业大学 内蒙古 呼和浩特 010051）

大棚的环境为农作物的良好生长和提高产量提供了必要的保证[1]。但是，大棚对农作物影响的环境因素很多，也很复杂，比如说温度、湿度、二氧化碳浓度、光照等。目前农业大棚的测温普遍都使用单个DS18B20温度传感器来检测大棚温度。尽管相对于传统的温度检测有了很大程度的提升，但仍然存在着很多的不足。首先，大棚的空间很大（通常有一亩地左右），棚内温度分布不均匀，单点测温不能够准确地反映大棚内的实际环境温度。比如说阴面和阳面的温度，大棚入口和室内的温度，都相差很大。再者，单点测温仅仅使用一个温度传感器，一旦损坏的话，系统就不能正常的工作。单点测温的测量距离也有限，而农业大棚的长度一般都有一百米左右，远距离测量，信号会产生严重衰减。这些问题都会导致对大棚环境温度的误判，轻者会影响农作物的产量、品质，重者会造成农作物的死亡。

因此，针对于单点测温系统的瓶颈问题，本文提出农业大棚多点温度采集设计方案。本设计利用5个DS18B20温度传感器来对大棚进行温度检测，分别布设在大棚的4个角落和中间，并将采集到的各点温度求和取平均值作为大棚的温度，这样可以有效地解决了大棚室温不均衡的问题。另外，在多点测温的情况下，如果其中的某个传感器损坏了，也不会影响到测温的正常进行。由于市场上没有标准的DS18B20温度传感器总线，此设计采用以太网双绞线通过RJ45接口和三通连接件将5个DS18B20温度传感器连接起来。而且，这样连接为日后的检修更换维护带来了方便。除此之外，采用以太网双绞线作为传输总线，测温距离会大大提高，可靠性更高，完全能够满足大棚内多点测量温度的需求。

1 硬件设计

系统的硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图Fig.1 System hardware block diagram

1.1 微控制器

51系列的单片机价格低廉，运行可靠，应用简单，而且能够实现本课题的既定功能，我们选用的型号是AT89C51[2]。

管脚使用说明：P1.0接报警电路，INT0和INT1接键盘3和 4，P0 脚和 P2.0、P2.1、P2.2 和 LCD1602 相连，P2.5 接 RJ45的 2脚（DS18B20数据线），P2.3接 LED2（报警指示灯）。

1.2 报警电路

本设计的报警系统结构简单，P1.0引脚经过NPN9013三极管驱动一个无源蜂鸣器，构成一个简单的报警电路。

1.3 显示电路

系统采用LCD1602显示。1602能够同时显示32个字符（16列2行），可显示字母、数字以及一些专用符号等的点阵型液晶模块。考虑到实际环境条件，温度值取两位整数一位小数。

1.4 按键电路

本系统配有4个按键，第一个和第二个按键是用来复位和控制电源的，其他两个按键（与外部中断0、1相连）用来设置温度的上下限报警值[3]。所选键盘为四脚键盘，这样的键盘稳定不易损坏。

1.5 多点温度检测电路

DS18B20使用单一线总线（DQ）双向传输数字信息，单一总线的结构可以有效地提高数字信号传输过程中的抗干扰能力，提高可靠性，更易于适应各种不利条件下的现场测温工作[4]。

DS18B20可以设置成2种供电方式，即总线供电方式和外部供电方式，采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成测量温度的时间较长，本设计采取外部供电方式，虽然多用一根导线但测量速度较快。DS18B20温度传感器输出的测温信号是用摄氏温度（℃）标定的，测温范围为-55～+125℃。在-10～+85℃范围内，测温精度为±0.5℃[5]。

每一片DS18B20在其ROM中都有唯一的序列号，单总线最多可级联8个传感器。

由于设计此课题的目的是尽可能应用于农业大棚现场，数据的传输距离非常重要，DS18B20在普通线缆上传输距离只有50 m,但在屏蔽双绞线上传输可达500 m,我们选择屏蔽双绞线传输数据，接口确定为使用最广泛的RJ45接口，DS18B20有3个引脚，我们选用网线中的第1、2、3根线分别与 DS18B20的 GND、I/O，VDD3个 引 脚 相 连 ， 将 多 个DS18B20通过RJ45三通插座级联进行多点温度测量。RJ45的I/O端口处接有阻值为4.7 kΩ的上拉电阻，因为DS18B20是单总线温度传感器，数据线是漏极开路，接电源后，上拉电阻可使系统稳定的工作。同时若温度传感器开路或没接时，能起到上拉作用，使之为高电平，使后续电路得到保护。

局部电路图如图2所示。

图2 电路原理图Fig.2 Circuit picture

PCB板图如图3所示。

图3 PCB板图Fig.3 PCB board picture

实物图如图4所示。

图4 实物图Fig.4 Physical picture

2 软件设计

2.1 主程序

软件部分主要由温度采集、温度处理、温度显示等几个部分组成。主程序框图如图5所示。本系统软件程序采用C语言编写，所用软件为Keil。

图5 主程序框图Fig.5 The main program block diagram

2.2 中断子程序

中断子程序框图如图6所示[6]。根据实际情况，系统设定上限值范围在25～35℃，设定下限值范围在10～20℃。

3 系统在Proteus下的仿真调试

通过多次的调试，仿真结果符合预期效果，验证了此系统在实际应用中的可行性。仿真结果如图7所示。

图6 中断子程序Fig.6 Interrupt subroutine

图7 仿真图Fig.7 Simulation figure

4 结束语

系统基于51单片机实现了对大棚多点温度的采集、监控和报警。该系统还可以方便接入其他模拟量传感器，对大棚内其他的环境因子进行监测，功能扩展性好。该系统抗干扰能力强，测量精度高，安装方便简单，易于维护。可应用于温室大棚，实现温度的实时控制，是一种相对比较智能而且经济的方案，适合推广，以便带来更好的经济效益和社会效益。

[1]李金莹,杨宏业,吕文艳.物联网技术与我国设施农业发展[J].安徽农业科学,2013,41（19）：8344-8346.LI Jin-ying,YANG Hong-ye,LV Wen-yan.Internet of things technology and facilities for agricultural development in china[J].Journal of Anhui Agri.Sci,2013,41(19):8344-8346.

[2]刘建清，寻立波，陈培军.从零开始学单片机C语言[M].北京：国防工业出版社.2008.

[3]严天峰.单片机应用系统设计与仿真调试[M].北京：北京航空航天出版社，2005.

[4]苏震.现代传感技术—原理、方法与接口电路[M].北京：电子工业出版社，2011.

[5]赵金燕，吴兴纯，何继燕，等.基于AT89C2051的温湿度采集系统的硬件设计[J].电子设计工程，2011，19(12):172-174.ZHAO Jin-yan,WU Xin-chun,HE Ji-yan,et al.Design of AT89C2051 based temperature and humidity acquisition system hardware [J].Electronic Design Engineering,2011,19(12):172-174.

[6]吕文艳，李金莹，杨宏业.基于ZigBee的设施农业监控系统[J].电子设计工程,2014,22(7):19-21.LV Wen-yan,LI Jin-ying,YNAG Hong-ye.ZigBee-based monitoring system of agricultural facilities[J].Electronic Design Engineering,2014,22(7):19-21.