气象要素监测预警系统设计

薛风国 隋丹 黄清治 滕潘

摘要：選取ATmega128单片机作为主控芯片，开发了一种价格便宜、功能够用、安装操作简单的温室农业气象要素监测预警系统，一方面用于温室环境温湿度等要素的监测；另一方面用于温室环境温湿度预警，灵活性和实用性强。在0～50℃范围内，气温和地温分辨力高于0.1℃，准确度高于0.5℃。在0～50℃范围内，空气湿度分辨力达到1%，在≤80%时，准确度达到6%；在≥80%时，准确度达到9%。该系统对温室气象要素进行较高密度采集，对各要素进行自动实时监测，当要素超出设定的范围时，系统报警以提示进行人工干预，保障温室作物良好生长。

关键词：Atmega128；监测预警系统；高密度采集；自动实时监测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0293-03

1 背景

温室大棚的温度和湿度是直接关系作物生长的两个重要因素，其中最高温度、最低温度、昼夜温差、湿度是重要观测要素，农户通过所掌握的这些数据来进行人工干预，以保障作物的良好生长[1-2]。温室农业气象要素的自动观测、监测、预警，可以准确掌握温室环境下气温、地温、湿度等各气象要素的实时情况，给温室作物提供一个适宜的生长环境，摆脱外界恶劣气候和四季变化，防治病虫害[3-4]。24小时实时监控温室环境的变化，为科学人工干预温室农业环境提供技术支撑，更好地为现代农业和高效农业服务，劳动的高效转化提供气象方面保障，使对温室环境的把握更有科学性、实时性、连续性、准确性，改进传统人工观测准确性，并且提高采集密度，减小观测劳动强度[5]。

针对大规模农业温室监测系统成本较高的问题，开发了一种价格便宜、功能够用、安装操作简单的基于单片机温室农业气象要素监测预警系统，该系统适用于较小规模、中低档温室。一方面可以用于温室环境温湿度等要素的监测；另一方面还可以用于温室环境温室的预警，灵活性和实用性强，为人工干预温室农业环境，保障温室作物良好生长，具有重要意义，值得产品化推广。

2 系统结构和方案

该系统由单片机、存储器、电源模块、传感器、液晶显示、声光报警模块和红外遥控部分组成，如图1所示。以ATmega128单片机为主控芯片，通过温湿度传感器对三个不同深度的土壤温度和空气温度、空气湿度信号进行采集，当检测到的温湿度数值超出设置值时，报警器启动开始报警。通过AT24C512存储芯片来存储历史数值，以便进行查询。该系统用市电供电，通过变压、整流、滤波和LM7805稳压将220V交流电转化为5V的直流电，提供整个系统的电源。通过红外遥控器按键进行设置、查询、切换、修改日期、时间和报警阈值，方便农户使用。

根据黑龙江当地温室的实际情况，确定该监测预警系统的技术指标，地温和空气温度的监测范围为0～50℃，分辨力小于0.1℃，误差小于0.5℃。空气湿度的监测范围为0～50℃，分辨力小于1%，在≤80%时误差小于6%；在≥80%时，误差小于9%。地温传感器选择DS18B20，空气温湿度传感器选择SHT10，设计了集一总线式数据采集技术、红外线遥控技术于一体的地温、气温和湿度自动化监测预警系统。对空气温度、空气湿度、地面温度、5cm地温、10cm地温、实时自动采集，每20秒读取测量结果，每15分钟保存一次数据。采用AT24C512数据存储芯片，用来保存2个月的数据以便随时查询。采用红外遥控技术对数值参数和时间参数的设置修改。温室的空气湿度大，如果不采取措施，可能会使系统短路甚至烧毁某些部件，同时会使印制电路板的绝缘性变差。所以要加强系统的密闭性以应对高湿度对电子设备部件的腐蚀的挑战，保证电路处于良好的工作环境。

3 硬件设计

3.1 主控芯片、传感器等电路元器件的选择

选取ATMEL公司生产的ATmega128单片机作为主控芯片，该单片机是ATMEL公司生产的8位系列单片机中配置最高的一款，稳定性极高，应用极其广泛。

DS18B20是9～12位分辨率的数字温度传感器，同一总线上可连接多个DS18B20，实现多点测温。SHT10采用CMOSens技术，输出全量程标定的数字信号，是有出色可靠性和长期稳定性的温湿度传感器，功耗超低，响应迅速，抗干扰能力强，性价比高。为使自身发热温升小于0.1℃，SHT10的激活时间不超过10%。显示模块采用12864液晶显示，可完成汉字、图形和字符的显示。

AT24C512是ATMEL公司推出的I2C 总线E2PROM，容量达512Kbit，必须严格遵守I2C总线传输协议，I2C总线以复杂的时序及软件编程换取硬件接口的简单。该芯片与单片机构成低成本、高可靠性的数据采集存储系统。

红外接收管采用338H红外接收头，其内有全制程前置放大集成电路和高速PIN光电二极管，工作电压为4.5V-5.5V，灵敏度高，抗光干扰和抗电磁干扰能力强，广泛应用于各类家电和电子设备的远程遥控。

为提高系统精度，电阻、电容、电感等电子元器件尽量使用同一批次，采用贴片式封装电子元器件，用Protel 99 SE绘制电路原理图和PCB图。

3.2 电路的搭建

3.2.1电源电路

如图2所示，系统所需的5V直流电压通过采用 LM7805稳压后提供，将220V市电经过变压、整流、滤波和LM7805稳压转化为5V的直流电。

3.2.2 声光报警电路

如图3所示，当温室温湿度超出系统设置的报警值上下限时，ATmega128驱动点亮报警指示灯，同时通过三极管Q1驱动蜂鸣器；当环境温度恢复到系统设置的报警值上下限内时，声光报警自动解除。

4 软件设计

如图4所示，该系统采用模块化程序设计思路，C语言编程实现。系统上电后单片机主程序调用初始化子程序完成对I/O口、12864、AT24C512初始化，初始化结束后，调用参数设置子程序，可通过遥控器对日期、时间、温湿度上下限值进行设置，并在12864上显示相应信息。设置完成后自动进入温湿度检测子程序，将传感器采集的温湿度通过12864液晶显示，同时与设置的上下限值进行对比，若超限则驱动声光报警，之后返回主程序重新检测温湿度值，如此循环。

5 测试结果

5.1 地温和气温测试调试

在0～50℃范围内，将恒温恒湿箱温度值均为分成0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃测试点，等待10分钟，待恒温恒湿箱的标准器温度值稳定后，其中每个温度测量点等间隔同时读取标准器和预警仪10次测量值，将预警仪三个地温值、气温值跟标准器值进行比对。依次改变恒温恒湿箱温度，重复实验。对预警仪进行测试和调试，各测试点的各传感器对应的温度值如表1所示。通过表1可以看到3个地温和气温的测量精度达到预期的设计目标。

5.2 湿度测试调试

在35%RH和90%RH之间分别将35%RH、45%RH、55%RH、65%RH、75%RH、80%RH、90%RH作为测试点，待恒温恒湿箱中露点仪的度数稳定后，以恒温恒湿箱中露點仪的湿度输出作为标准值，对每个测试点进行10次等间隔数据采集，改变湿度箱湿度，重复实验。通过对该系统进行测试和调试，系统的空气湿度在各个测试点的测试结果如表2所示。通过表2可以看到空气湿度的测量精度达到预期的设计目标。

6 结束语

该系统成本低，精度较高，运行稳定，操作便捷，能够满足农户的基本需求。但其结构简单，智能化程度还有很大的提升空间，同时还可以对其进行功能扩展，如增加土壤水分、光照强度、CO2等环境因子检测；增加上位机通信，通过上位机软件对历史数值进行分析处理，更好地掌握气象环境因子与农作物生长规律的关系，这也是高效农业和现代农业的内在要求。

参考文献：

[1] 兰海. 基于ARM和GPRS的嵌入式温室环境监测系统[D]. 沈阳： 沈阳工业大学， 2010.

[2] 郭东平. 基于单片机的大棚温湿度监测报警装置的研究与开发[D]. 杨凌： 西北农林科技大学， 2015.

[3] 江丽莎， 蒙亮， 罗涟玲. 利用单片机设计农业温室温湿度智能控制系统[J]. 广西物理， 2012， 33（1）： 21-24.

[4] 匡迎春， 沈岳， 姚帮松， 等. 简易型温室温湿度控制器设计[J]. 湖南农业大学学报： 自然科学版， 2009， 35（4）： 452-456.

[5] 李黄. 自动气象站实用手册[M]. 北京： 气象出版社， 2007.