有机农产品大棚环境监测系统的设计与研究

彭琛 梁宇

摘要：随着大棚技术的普及，围绕着有机农产品大棚温湿度控制的研究不断展开。在温室大棚数量增多的同时还需要进一步的保证有机农产品产量和质量，本文设计的是有机农产品大棚温湿度监控装置设计，利用单片机为主控器的有机农产品大棚温湿度的监控系统，自动监控农产品大棚内的温度、湿度和光照强度，用按键设置和修改温度、湿度及光照强度范围值，实时监测有机农产品大棚内空气温度，土壤湿度传感器监测有机农产品大棚内土壤湿度，光照检测电路监测光照强度，液晶显示屏显示监测的实时数据以及调节设备模拟调节模块完成设计。

关键词：有机大棚;温湿度监控;光照强度;单片机

中图分类号：TP311   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）31-0026-03

Design and Research of Environmental Monitoring System for Greenhouse of Organic Agricultural Products

PENG Chen， LIANG Yu

（College of Computer and Electrical Engineering， Hunan University of Arts and Sciences， Changde 415000， China）

Abstract： With the popularization of greenhouse technology， the research on temperature and humidity control of organic agricultural products greenhouse has been carried out. With the increase of the number of greenhouses， it is necessary to further ensure the yield and quality of organic agricultural products. The design of this paper is the design of the temperature and humidity monitoring device for organic agricultural products greenhouses. The temperature and humidity monitoring system for organic agricultural products greenhouses， which uses single-chip microcomputer as the main controller， automatically monitors the temperature， humidity and light intensity in the agricultural products greenhouses， and uses the key to set and modify the temperature， humidity and light intensity Humidity and light intensity range value， real-time monitoring of air temperature in organic agricultural products greenhouse， soil humidity sensor monitoring of soil humidity in organic agricultural products greenhouse， light detection circuit monitoring of light intensity， LCD display of real-time monitoring data and adjustment equipment analog adjustment module completed the design.

Key words： Organic greenhouse; temperature and humidity monitoring; light intensity; MCU

1 引言

传统的棚内悬挂温度计，耗时费力、监控精度低、成本大、易造成损失，很难达到有机农产品质量优、效率高、产量多的目标，所以需要设计性价比高、自动化程度高、监控精度高的有机农产品大棚温湿度监控装置应用于农业种植生产需要。课题所研究的主要意义是为了实现有机农产品大棚内作物达到质量优、效率和产量都高的栽培目的，设计一套功能完善、精度高、体积小等特点的温、湿度监控装置，自动地调节有机农产品大棚温湿度。

从大棚技术与智能农田的发展情况来看，西方的发达国家有机农产品大棚和農业田地的科学化、智能化技术要比中国研究发展得起步比中国要更早一些。最开始与农产品大棚相关的是人工气候室，由美国建筑而成，研究影响植物生长的相关方面，例如：大棚种植作物自然环境下的抗寒耐热的能力和适应状态，进行了实际操作研究的同时推动农业的进一步发展。另外多个国家，如英国、荷兰、以色列等，在有机农业农产品大棚的智能化技术方面也发展相当快速，以几十年的发展来看，农业设施方面最重要的特征就是科学化、多智能，大棚技术的科学化、智能化的也在不断发展与进步，不断的提高大棚自动程度和监测控制精确度。

70年代，我国也开始展开对多个农业项目的研究，例如：节能日光农田和多功能农田等等，也是我国发展农业项目的研究的开始，也缓解了农产品的在中国人口大国供应量不足的状态。1980年～1994年这段时间，我国的农业在整体上都有了很大的发展。20世纪90年代初期到90年代末的期间，农产品大棚环境监测系统技术的不断更替进步，对农产品大棚环境控制不但更加精准，而且还能控制多个环境因素，更是能实时监控，从温室控制与管理系统实现对温度的控制管理，到温室硬件控制系统实现对温度、光照、CO2等多个环境因素进行控制，实现了对农产品大棚内温度和湿度实时监测与控制，达到了一个更好的环境控制效果。

2有机农产品大棚温湿度监控装置硬件设计

2.1设计方案

以单片机STC89C52为核心的控制器，键盘设置温、湿度和光照强度的范围值，按下开始检测按键启动，光敏电阻检测光照强度、DS18B20温度传感器检测温度值、土壤湿度传感器检测土壤的湿度，土壤湿度传感器和光敏电阻收集到的数据需要经过AD转换才能在LCD1602显示为数量值，采用PCF8591进行AD转化，LCD1602液晶显示屏显示实时采集的三者数据，同时与预先设置的数据值进行对比，当实时环境的温、湿度和光照强度超范围时，报警模块蜂鸣器报警并相应警示灯亮，同时调节设备进行补光、升温、降温、加湿、除湿操作，以保证大棚的温湿度范围在设置的上下限参数内。

列出此次设计要达到的指标：

（1） 适应环境：有机农产品大棚。

（2） 温度测量误差：±0.5%;测温范围：-55℃～+125℃。

（3） 湿度测量误差：±5%RH;测湿范围：0～100%RH。

（4） 测光照强度误差：±5%;测光照强度范围：5～10KLX。

（5） 使用LCD1602液晶顯示屏，能显示实时监测到的温度、湿度和光照强度数据。

（6） 能通过按键修改预先设定的范围值。

（7） 能声光报警。

2.2硬件电路设计

有机农产品大棚温湿度监控装置设计系统主要由STC89C52单片机、按键、LCD1602液晶显示、温度传感器、光照检测、土壤湿度传感器A/D采样PCF8591、调节设备组成。按键不仅起到了设置或修改所需范围值的作用，还可以使人与设备很好的交互，按键功能说明：第一个键（SW2）：确定;第二个键（SW3）：加一;第三个键（SW4）：减一;第四个键（SW5）：开始检测。由温度传感器监测空气温度、光照电路监测光照强度，土壤湿度传感器监测土壤的湿度，土壤湿度的大小就是土壤中水分含量的多少，使用电位器去调节土壤湿度控制阀值，可以自动农产品大棚内土壤湿度进行监控。在LCD1602液晶显示屏上显示出实时监测到的数据，单片机STC89C52收集到数据并作对比，超阈值作出对应的调节动作，电路原理图如图2所示。

3 系统软件设计

首先预设出农产品适宜温度、湿度和光照强度的范围值，当监测这三者的实测值不在所设定的范围内，单片机STC89C52控制系统就会启动调节设备。本次设计的有机农产品大棚温湿度监控装置设计系统是由一个主系统调用多个子系统。主程序首先初始化整个系统，系统将收集到的温度、湿度、光照强度数据与预先设置值进行对比后，做出相应的警示和调节动作并在LCD显示实时监测到的数据。主程序流程图如图3所示：

4 系统调试仿真

要使有机农产品大棚内作物在良好的生长环境中茁壮成长，就需要调节有机农产品大棚内环境保持良好的状态，才能有效控制影响着光合作用的CO2浓度和避免白昼温度存在差异造成到的损害和湿度过高致虫害，达到增产增量的效果。有机大棚农产品类型不同，所适宜生长环境所需的温度、湿度及光照强度也会有所差异的，可以依据不同农产品的习性需要设置所需的数据。本文设置模拟的温度范围是20℃～30℃，湿度范围在35%RH～75%RH，光照强度范围在90lux～500lux。在开始检测时，页面处于初始化状态，如图4所示，再通过按键设置好温度、湿度和光照强度的范围值。

当温度低于范围值时，蜂鸣器开始报警发出声响，同时空气温度警示灯亮，补温灯设备就开始补温，如图5所示;当温度高于范围值时，蜂鸣器开始报警发出声响，同时空气温度警示灯亮，调节设备风扇转动降温，如图6所示。

当湿度低于设置范围值时，蜂鸣器开始报警发出声响，同时土壤湿度警示灯亮，调节设备水泵开始工作加湿，如图7所示：当湿度比设置范围值高时，蜂鸣器开始报警发出响声，同时土壤湿度的警示灯亮，调节设备风扇转动进行除湿动作，如图8所示。

当光照强度低于设置范围值时，蜂鸣器开始报警发出声响，同时光照强度警示灯亮，调节设备补光灯设备进行补光动作，如图9所示。

5 总结

本文主要分析了有机农产品大棚温湿度装置的工作过程，设计了该课题的系统方案，全文设计包括方案、硬件和软件的设计，及模拟仿真。用单片机对有机农产品大棚温湿度监控装置控制，用C语言编程实现，实现了多个方面的控制要求，实现了对温度、土壤湿度和光照强度的监控，并利用LCD1602实时显示监测到的数据值，能让人们直接看到大棚农产品内的具体情况，经过调试与最终仿真的结果也证实了此系统设计方案是能行得通的，本次设计通过对空气温度、土壤湿度和光照强度的监控去控制影响农产品光合作用CO2的浓度，并没有使用专门监控的CO2的浓度的传感器，对CO2浓度的控制没有达到较高的准确性，在以后的有机农产品大棚监控装置设计的时候，会进一步的完善各个方面的功能。

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【通联编辑：梁书】

收稿日期：2021-05-21

基金项目：湖南省教育厅优青项目（湘教通〔2020〕264号-20B398）;常德市社会科学成果评审委员会课题（常社评[2021]6号-CSP21YC84）;湖南文理学院芙蓉学院2019年度大学生创新创业项目：基于互联网+的智慧农村生态环境监测系统设计

通讯作者：彭琛（1982—），女，湖南澧县人，湖南文理学院，讲师，硕士，研究方向为物联网技术及智慧农业。