基于多传感器融合结合单片机在温棚环境控制系统中的应用探究＊

余金永，李玉琴

基于多传感器融合结合单片机在温棚环境控制系统中的应用探究＊

余金永，李玉琴

（广西城市职业大学，广西 崇左 532200）

随着中国科学技术的发展，人们也越来越重视农业技术的提高。农业技术的提高可以有效提高农作物的生产质量及生产效率，同时农业生产也是国家发展的基础，关系着国家的综合实力，因此农业技术的提高对于国家发展来说是非常重要的。中国农业温棚环境自动控制系统利用范围大、成本较高，因此温棚环境控制系统的提高对于农业的发展至关重要。从温棚技术的概述、温棚环境控制技术的现状、温棚环境控制系统方案设计、硬件控制系统、环境控制系统的实现及调试等方面展开论述，以期给相关的研究人员及工作人员提供一些切实可行的建议。

多传感器；单片机；温棚；环境控制系统

1 引言

中国的温棚环境自动控制系统面向的对象主要是大规模的温棚，对于小型及中小型的农业温棚并不适用，并且温棚环境自动控制系统的成本较高，普通农业工作人员很难支付得起。

51单片机在环境自动控制系统中性价比较高，可以利用温度传感器对大棚内的温度进行感知、收集并控制，进而实现了对大棚内温度的自动控制。

本次研究的控制系统由6个模块组成，分别是51单片机基本系统模块、温湿度采集模块、光照强度采集模块、键盘输入模块、LCD显示模块。通过实验发现，在适宜的条件下农作物的生长质量和产量都有所提高，而温棚环境控制系统实现了对温棚内温度的自动检测与控制，从而为农作物的生长提供了适宜的环境，并且本系统对于中型及小型规模的农业温棚同样适用。

2 大棚温室技术的概述

大棚温室技术可以改变植物的生长环境，为植物生长提供适宜的环境，保护植物使其在生长过程中不受外界天气及恶劣环境的影响。

温棚环境控制系统的主要作用是实现对温棚环境的控制，对环境中的一些参数进行检测与控制，这些参数主要包括温度、湿度、土壤的湿润程度、氧气及二氧化碳的浓度等。

温棚的环境与农作物的生长、发育及能量物质交换的联系都是很密切的，温棚环境的自动化控制是实现温棚生产管理自动化、科学化的基本保证。

3 中国温棚环境控制技术的现状

截至目前，中国与农业发达国家的温棚环境控制还存在不小的差距。这些国家的温棚环境控制系统已经发展到计算机自动控制层面，而中国的温棚环境控制系统仍然比较落后，特别是环境系统的自动控制方面，并且此系统只能适用于大规模的温棚环境。

中国中型及小型的农业温棚仍然依靠人工进行环境控制，其工作强度很大且温棚环境控制的效果并不理想。近年来，中国的中型及小型的温棚在环境的自动控制方面成本投入比较高、环境控制效果不尽人意、温棚环境很容易受到外界环境的影响，因此温棚环境控制系统在中型及小型的温棚中难以得到有效利用。

4 针对中国温棚环境控制技术的现状提出相关对策

针对中国温棚环境控制技术的现状，设计出一种成本低、性能高的温棚环境自动控制系统是当务之急。本文的研究对象是性价比较高的51单片机的核心部件，采用光强、温度、湿度等采集模块及上下调温控制模块来检测温室内的环境状况，并探究影响植物生长的环境因素。本文中设计的环境检测系统可以将温室内的环境状况通过LCD显示屏及时地显示出来，如果环境超过规定的范围，就会带动自动报警装置，并能够自动采取相应的解决措施。

5 温棚环境控制系统方案设计

在本文设计并研究的温棚环境控制系统中，利用光照传感器BH1750FVI采集光照参数，利用数字式温度传感器DHT11采集温度、湿度信息，然后传给单片机，单片机将信息处理后转变为数据传给LCD1602显示屏，从而将实际的环境信息在显示屏上显示出来。系统中默认的最低温度为15 ℃，最高温度为35 ℃；最低湿度为55%，最高湿度为75%。不同农作物在生长的不同阶段需要的环境也有很大的不同，在实际的棚温环境控制过程中，可以根据实际情况拟定合理的环境控制范围。在实际的工作过程中，如果温棚内的温度小于15 ℃，系统就会自动开启加热灯补光增温，以提高温棚内的温度；如果温棚内的温度大于35 ℃，系统就会通过湿风扇排气，以降低温棚内的温度，从而达到自动控制的作用，湿度与温度控制同理。

6 硬件控制系统

6.1 单片机芯片STC89C51

单片机芯片STC89C51具有低功耗、高性能的特点，其主要功能有如下几个方面：一般控制应用的8位单芯片；内部程式存储器为4 KB；内部数据存储器为128 B；外部程序存储器可扩充至64 KB；32条双向输入输出线，每条线都可以实现单独控制；5个中断向量源；两组独立的16位定时器；一个全双工串行通信端口。

6.2 DHT11温湿度采集模块

DHT11温湿度采集模块主要运用温湿度传感技术和数字采集技术，保证产品的可靠性、卓越性和稳定性，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

6.3 BH1750FVI光照强度采集模块

BH1750FVI光照强度采集模块可以根据收集的光线强度数据来检测环境，BH1750FVI是一种两线式串行总线接口的集成电路，具有分辨率高的特点，并且可以应用于大范围的光照强度变化检测。

6.4 温度显示模块

温度显示模块采用字符型液晶显示技术，主要用于显示字母、数字、符号等数据。

6.5 按键模块

本次研究设计的系统中有三个独立按键，分别记为S1、S2、S3。S1表示菜单键，按第一次进入限定最高温度输入模式；按第二次进入限定最低温度输入模式；按第三次结束循环，返回当前温度显示。S2是温度上调按键。S3为温度下调按键，用于手动调节温度。

6.6 温度自动控制模块

本次设计中温度设定在15～35 ℃之间，当温度高于35 ℃时，单片机的控制信号是继电器控制强电系统启动强点降温电路，以降低大棚内的气温；当温度低于15 ℃时，单片机的信号控制继电器启动强电加热电路，以提高大棚内的气温。

7 实现及调试

7.1 主程序流程

程序的主要流程如下：首先进行系统初始化，然后对大棚内的光照强度、温度、湿度进行采集。其次观察键盘信息是否已经输入，如果已经输入需要更新温度上下限参数设定；如果没有输入就要进行数据的处理。数据处理的结果又分为两部分，观察收集的数据中温度是否在规定范围内，如果在规定的范围内，重新进行光照强度、温度、湿度等信息的收集；如果不在规定的范围内，就自动启动降温或增温模块对大棚内的温度进行调节。

7.2 调试说明

本次系统由C语言编写并调试，在调试的过程中，需要先设定大棚内的温度在规定范围内，这时排气扇、热光灯不工作。当温度传感器检测到大棚内温度大于35 ℃时，报警器启动报警装置，排气扇开始工作，直到大棚内的气温降到规定范围内，排气扇停止工作；当温度传感器检测到大棚内温度低于15 ℃时，报警器同样启动报警装置，热光灯开始工作，直到大棚内温度提升到规定范围内，热光灯停止工作。

8 结语

针对中国农业温棚自动控制系统的现状，本文设计了性价比高的51单片机温棚自动控制系统，但是该系统在光照强度、温度、湿度等信息的收集过程中还存在不足之处，需要研究人员今后进行更深一步探索与研究。

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S625.3；TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.024

2095－6835（2019）17－0056－02

余金永（1983—），男，河南南阳人，本科，工程师，研究方向为智能控制及自动化。李玉琴（1983—），女，河南叶县人，工程师，讲师，研究方向为智能控制及自动化。

2018年度广西城市职业大学科研项目“基于PLC控制的传感器技术在温棚自动化设备中的应用研究”（编号：GXCCKY2018A005）阶段性成果

〔编辑：严丽琴〕