基于单片机的农业温室控制设计

王海旭

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628000）

0 引言

随着国家西部大开发以及乡村振兴战略的提出，农业作为立国之本、强国之基，农业怎么提高智能化管理水平也逐渐成为重要的要素之一。在农业方面，大棚环境监测等研究正适应这样的要求，此类研究主要集中在实现低功耗的无线信息收集与展示[1]。而在信号收集之外，对能否自动调节大棚内的一些参数也有了更高的要求。在农业大棚的智能化管理领域，随着现代农作物对光照、温度、湿度的要求日益提高，特别是一些重要的经济作物对以上要素又有着较高要求，其形成的规模效益也日益明显。传统的大棚已经不能适应对农作物生长要素的精确控制，因此，笔者提出了基于单片机控制的农业温室自动调节系统。

在大棚用于农业的发展过程中，一开始只是单纯地将农作物直接栽种到大棚中，实现对农作物的保温和保持水分的作用，但这种传统模式存在一些问题。比如，传统大棚虽然能够保温，但是对于一些对温度要求较为严格的作物往往出现温度过高或过低的情况，难以使农作物在最佳环境下生长。再比如，传统大棚虽然能够保持一定的水分，但是对于一些对土壤湿度要求较为严格的作物往往出现湿度过高或过低的情况，同样难以使农作物在最佳环境下生长。考虑到单片机相比于PLC成本较低，以及单片机的其他一些优点，将通过单片机编程的简易性、对环境较强的可适性和方便的环境搭建作为设计基础。考虑到传统的温室大棚难以较为准确控制温湿度和光照强度，提出以单片机为基础，以传感器检测温度、湿度、光照强度，进而控制风机大小、控制浇灌阀门启闭、控制遮阳棚大小，达到有效且较为精确地调节温度、湿度、光照强度的目的，以实现农业智能化，给作物提供更好的生长环境。

1 基于单片机的温室设计方案

目前，基于单片机在温室大棚中的应用，可以通过物联网技术进行农业大棚的环境监测等[2]。而要实现自动控制，单片机作为控制单元必不可少。单片机可以实现上述的控制设想，将51单片机作为控制系统的主控单元，传感器在接收到温度、湿度、光照强度等模拟量信号后，通过信号线传递给数据采集卡，该采集卡支持至少四路的模拟量输入。通过A/D转换接口，该采集卡可以实现模拟量信号的输入、数字量信号的输出，得到的数字量信号将作为上位机LabVIEW的输入信号，并在进行处理后输出到单片机作为控制信号。对于传感器采集到的信号输入到采集卡，包括温度、湿度、光照强度在内的三组模拟量满足采集卡接口要求。采集卡将模拟量转换为数字量之后，通过数字量输出模块将信号传递给单片机处理，从而输出到伺服驱动器，完成对伺服电机的驱动，进而控制风机风量大小，最终达到调节温度的目的。以风机为例，基于单片机的温室控制系统图，如图1所示。

图1 基于单片机的温室控制系统图

2 传感器检测与控制

传感器属于检测环节的基本单元，如果说51单片机相当于人类的中枢大脑，那传感器就像人类的眼睛、耳朵、鼻子等感觉器官。主要通过传感器对模拟量的检测，然后通过A/D转换接口将模拟量转换为数字量，检测的模拟量包含温度、湿度、光照强度。1）通过温度传感器对空气的温度进行检测，如果检测值温度高于设定值，则单片机控制器启动风机对温室进行通风换气使之降温；反之，如果检测到的温度低于设定值，则单片机控制器关闭风机使温室在光照条件下逐渐升温。2）通过湿度传感器对土壤的湿度进行检测，如果检测到的湿度高于设定值，则单片机控制器关闭控制浇灌的电磁阀门，使土壤湿度在一定条件下逐渐减小；反之，如果检测到的湿度低于设定值，则单片机控制器开启控制浇灌的电磁阀门，使水流进入土壤，使土壤湿度逐渐达到设定值。3）通过光敏传感器对温室的光照强度进行检测，如果检测到的光照强度高于设定值，则单片机控制器打开遮阳棚使温室内的光照强度减弱；反之，如果检测到的光照强度低于设定值，则单片机控制器关闭遮阳棚使温室内的光照强度升高[3]。

以土壤湿度控制为例阐明该系统原理，温度与光照控制与此类似不再赘述。因为土壤湿度的变化，会使电子式湿度传感器从土壤中吸水而引起本身电容值、电阻值的变化，通过这种变化达到测量的目的，故可用一个湿度传感器来检测并确定土壤湿度。然后，把湿度传感器检测到的电信号传输到单片机，在单片机中对设定的湿度值和检测到的值进行比较得到偏差，将偏差结果输出，对变频器进行调节，使其根据湿度大小输出不同的控制信号。最后，通过该控制电信号对电控的电磁阀进行通断电设置，此电磁阀可采用三位电磁阀，即全开、全闭、半开三种状态，从而调节了灌溉水管的阀门开度，达到调节进水量的目的。

3 程序流程设计

系统开始运行后，首先传感器开始通电工作，对温度、湿度、光照强度进行检测，然后将传感器检测到的值传入单片机，在单片机中进行判定，判定结果有以下两种情况：

1）当前值和设定值一样时，程序直接返回到初始位置进一步检测；

2）当前值和设定值不一样时，系统对检测到的值进行运算，将运算后的结果即偏差转换成模拟量输入的电信号，调节被控对象如风机，改变被控量如风机的风量大小。同时，实时检测温度值，直到检测值和设定值一样。

系统根据情况进行被控量的调节，控制模拟量如温度、湿度、光照强度等的大小，直到被控量恢复到设定值。如图2所示，为温度控制的系统程序流程图，湿度与光照控制与此类似。1）系统开始正常运行以后，温度传感器开始实时检测当前温度值，当测得的温度值符合设定值时，单片机控制器判断不需要执行后续操作，则跳转到程序的开始位置，继续检测温度；当检测到的温度值不符合设定值时，系统对检测到的值进行运算，将运算后的结果即偏差转换成模拟量输入的电信号，调节被控对象如风机，系统将启动风机，开始进行通风进而改变被控量如风机的风量大小，实现对温度的调节；同时，实时检测温度值，直到检测值和设定值一样后进一步检测温度，判断温度是否符合设定值，进行循环判断。2）进行湿度判断时，系统开始正常运行后，湿度传感器开始实时检测湿度，当测得的湿度符合设定值时，单片机控制器判断不需要执行后续操作，则跳转到程序的开始位置，继续检测湿度；当检测的湿度值不符合设定值时，系统将启动变频器阀门，开始进行灌溉浇水进而对湿度进行调节；最后，通过该控制电信号对电控的电磁阀进行通断电设置，从而调节了灌溉水管的阀门开度，达到调节进水量的目的；调节后进一步检测土壤湿度，判断湿度是否符合设定值，进行循环判断。3）进行光照强度判断时，系统开始正常运行后，光敏传感器开始实时检测光照强度，当测得的光照强度符合设定值时，单片机控制器判断不需要执行后续操作，则跳转到程序的开始位置，继续检测光照强度；当检测的光照强度不符合设定值时，系统将启动遮光棚，开始调节遮光棚的开闭进而对光照强度进行调节；调节后进一步检测光照强度，判断光照强度是否符合设定值，进行循环判断[4]。

图2 温度控制系统程序流程图

4 上位机软件设计

LabVIEW作为美国国家仪器公司开发的图形化编程语言，多采用图形的形式替代了文本语言进行图形化的编程。其中VI的含义即虚拟仪器工程，也就是通过电脑上的各种图形去代表实验室中各类硬件的程序模块。该语言有编程的可视化、图形化、模块调用的方便性等优点。比如，同样的模块功能，用C语言可能要几十甚至上百行代码，但是通过LabVIEW的编程往往只需要直接调用模块的内容即可，省去了复杂的语言编程环节。该语言诞生的背景就是给测试工程师们使用的开发语言，旨在帮助科学家和工程师解决问题，提高生产力和创新力。本研究选用LabVIEW作为上位机软件主要也是运用其便利的图形化编程方式和简便直观的前后面板的显示，将大大有利于和51单片机进行软硬件的结合。

该控制系统为了方便监测温湿度、光照强度等数据，有必要进行上位机的搭建，实现实时监控或调节控制参数的目的。控制系统通过采集卡采集来自传感器的模拟量信号后，该采集卡也保持与上位机PC的连接，该PC软件通过LabVIEW进行设计，主要功能包含前面板的数据监测，以及后面板的信号滤波、放大、卷积等。经过LabVIEW设计的图形化语言运算后，通过PC连接51单片机的串口通信模块的方式，把运算结果传递给单片机[5]。

该过程的重点为：除了编辑基本的信号处理程序外，还需要在LabVIEW进行调试，进行接口函数设置，从而使PC和51单片机实现通信。实际上，得益于LabVIEW函数库的强大，在实现虚拟仪器对单片机的连接过程中，LabVIEW本身所带有的函数库就足以实现与单片机的通信。由于传感器会实时采集信号并通过采集卡传递给上位机，只要注意库函数连接时不用静态连接，选择通过虚拟仪器本身提供的动态函数库连接进行上位机与单片机的通信[6]。信号检测与处理工作原理图如图3所示。

图3 信号检测与处理工作原理图

5 结论

温室大棚的智能化控制设计，积极响应了国家的乡村振兴战略，有利于提高粮食安全，特别是中西部地区的开发。现如今，大棚的智能化程度有待提高，同时控制温度、湿度、光照强度的智能温室更是少见。而相比于PLC的大棚控制系统，单片机有着成本低、调试方便、可移植性强等优点。该研究为了使农作物在更适宜的条件下生长，更适应国家对于乡村振兴的要求，以51单片机作为控制系统主控单元，传感器在接收温度、湿度、光照强度等模拟量信号后，将模拟量的信号通过信号线传递给数据采集卡，数据采集卡将模拟量转换为数字量之后，通过数字量输出模块将信号传递上位机软件进行处理，信号经过上位机处理运算后传输给单片机作为控制信号。当前值和设定值一样时，程序直接返回到初始位置进一步检测；当前值和设定值不一样时，系统对检测到的值进行运算，将运算后的结果即偏差转换成模拟量输入的电信号，调节被控对象，改变被控量大小；同时继续实时检测当前值，直到检测值和设定值一样。进而输出到伺服驱动器，完成对伺服电机的驱动，完成控制风机风量、灌溉装置、遮光棚等，最终达到调节被控量的目的。该系统设计可操作性强，可适应性强，可以较好地适应西部山区的复杂农业生产环境。