基于单片机的农业大棚控制系统设计

姜文卿 华有斌 钱晓山＊ 张艳平＊ 管礼军 陈海东

（1、九江职业技术学院 电气工程学院，江西 九江 332005 2、宜春学院 物理科学与工程技术学院，江西 宜春 336000）

近年来，农业大棚早已成为农业发展的一个重要组成部分，在全国，无论是发达地区还是偏远地区，大棚的数量都在明显增多，大棚的作用实际上是减少自然环境的影响，人为的控制这些因素，从而让植物比原来生长的更好，在植物生长的周期中选择合适的控制对于植物来说极为重要。据调查，现在的大部分农业大棚还是用传统的方法，将温度计和湿度计等一些能够测量数值的工具挂在农业大棚内，记录工具上的所有数据并进分析这些数据是否合格，最后用人为的方式去达到想要的结果；也可以使用电缆将外界传感器收集到的数据录入监控系统，这样会造成大棚内各种线缆纵横交错，维护成本高，安全可靠性差，当收集了数据之后，收集者还要对周围的环境参数进行分析，然后再到农业大棚中通过人工进行手动调节，虽然这样可以提高大棚作物的产量，但是劳动生产效率会大大下降，从而影响到大棚作物的产量和质量。这种传统的控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律，浪费人力资源且容易造成误操作。因此，为了提高农业大棚中植物的产量和质量，并且要降低经营成本和人工操作的强度，设计出农业大棚智能监控系统，是提高农业大棚劳动生产效率的必然方法，也是所有工作人员的共同愿望。

1 系统硬件设计

本系统的智能管理部分,主要使用现场安装的各种传感器（温湿度传感器、CO2传感器）对大棚内的环境参数进行实时在线监控, 主控制台STM32 将得到的数据给系统管理中心,并同时对数据进行管理,再结合时间、季节、以及农作物的生长情况综合得到一个系数,主控制器根据这个系数向各个控制器发送命令,实时报警。当传感器检测出来的数据高于或低于规定数据区间时,将会激活大棚内控制器的报警系统,随后会驱动对应的执行元件工作，调整环境参数以达到最适。控制系统的框图如图1 所示。

图1 控制系统框图

系统主要由3 个部分所构成, 分别为前端传感器产品数据信息收集、中端嵌入式单片机控制系统与上位机监测、末端上位机的管理。前端数据分析信息收集,是传感器节点负责对大棚内环境参数温度、湿度与二氧化碳浓度的数据采集。传感器节点是整个农业大棚监测系统中的最底层，负责完成大棚内环境信息的采集并对采集到的信号。控制系统中端是用STM32 单片机来收集采集的各种数据信息, 然后再上传到云端,而上位机的监测则可以用手机、平板或者计算机,最后再靠来管理所收集的各种数据信息。数据采集的正确与否,关键在于传感器的优劣,而当前市面上的一种数字式传感器,由于具有集成度高、准确度高,以及精确度高等的优势,常被作为工业、农业、军事、医疗、气象等重要领域。数字式感应器的在检测准确度、线性程度以及统一性等领域方面具有优异的表现力,并且由于数字式感应器易于反复应用与更换,因此无须反复校正。本系统所用的感应器,就是这款数位式感应器。控制器采用的STM32 单片机的实时信息处理能力和管理功能,能将监控系统保持在一个稳定的工作状态，进而将大大的提高农业大棚的产量和质量。单片机应用在这种控制系统中将成为一种终端机, 安装到整个控制系统的某个节点上, 对现场信号进行实时的收集与管理,同时也具有极大的抗干扰能力和安全性,能在非常严酷的环境条件下高强度工作。上位机选择平板电脑,它便于携带,方便实时监控数据。

该农业大棚监控系统的把MCU 作为核心芯片，采用STM32 单片机作为主要控制器，比以往的51 单片性能更好，这个系统的硬件设备到软件设备功能都比较完善，人们使用起来也极其方便。与此同时，单片机内的RAM 区间还特意设置了一个具有双重功能的地址区间，使用起来也很灵敏，这一特点也为使用者创造了极大的便利。以往的单片机并没有乘法的功能，如果程序中需要乘法还需要对其进行子程序的调用，对使用者来说不仅增加了困难，而且也让其不方便，现如今的系统还能节约经济成本。

本文选用的DHT11 温湿度传感器与单片机接口连接非常简单，并且功率消耗低，信号传输也较远，大约20m 以上。这款拥有体积小、抗干扰能力强、功耗低、控制简单等特征的温湿度传感器几乎在所有领域都有极其广泛的应用。下表使某测量中该温湿度传感器的测量误差，可见该传感器的测量效果较好，利于控制系统的设计与作用效果。如下表为某测量中该温湿度传感器的测量误差，可见该传感器的测量效果较好，利于控制系统的设计与作用效果。

2 系统软件设计

该系统的软件设计流程图如图2 所示。

图2 软件设计流程图

通过C 语言对每个程序块进行编程。如果想让农业大棚里面的温度和湿度数据测量精确，便需要使用极其灵敏的中断响应控制，通过这种控制方法人们便可以输入更多的信息来确定温度、湿度、二氧化碳等参数的范围。该控制系统在实际的应用过程中每隔一定的周期便会对农业大棚周围的环境参数进行收集和观察，并判断这些数据是否符合标准，如果不符合便会发出警报提示工作人员。基于该系统的帮助下，能够将农业大棚附近的参数保持在正常的范围内。

3 参数调节

3.1 温湿度调节

以黄瓜为例，大棚中温湿度影响很重要，温度是农作物生长的重要参数，温度是影响酶的活性从而影响农作物的生长情况。湿度会影响农作物的水分，从而进一步影响作物各离子的浓度。温室大棚控制中温湿度之间有着耦合控制的关系，温度和湿度会互相影响导致控制难度增加。调节规律如式(1)和表1 所示。

表1 温湿度参数变化规律

其中，ψ代表湿度，T 代表温度。

3.2 二氧化碳调节

本文将黄瓜中的二氧化碳参数作为例子进行展示。大气中的CO2平均浓度为0.03 %，但大棚内因为植物可以进行光合作用降CO2的浓度，所以大棚内的二氧化碳浓度会低于0.03 %，严重影响植物的产量，以黄瓜为例，如果温室内的二氧化碳含量提高到0.1%时，黄瓜可增产10%～20%。所以要及时的补充二氧化碳含量。补充二氧化碳的方法通常有三种：

3.2.1 化学反应法。目前利用化学反应性质产生二氧化碳的方法有很多，如利用稀硫酸与碳酸氢铵之间的反应产生二氧化碳。还有一种是通过燃烧液化石油气、燃烧液化天然气、燃烧白煤油等方法增加二氧化碳的含量。

3.2.2 发酵法。利用作物秸秆发酵产生的二氧化碳，对大棚内的二氧化碳进行补充。

3.2.3 采用瓶装或罐装的二氧化碳。本系统采用的是山东佐田氏生物科技有限公司生产的固体二氧化碳气肥，是利用包衣后的硫酸铝和碳酸钙，按一定比例混合，遇水放出CO2的原理进行，该产品具有物理性状好、化学性状稳定、应用安全、方便易操作及肥效长等特点。本系统采用的是山东佐田氏生物科技有限公司生产的固体二氧化碳气肥，是利用包衣后的硫酸铝和碳酸钙，按一定比例混合，遇水放出CO2的原理进行，该产品具有物理性状好、化学性状稳定、应用安全、方便易操作及肥效长等特点。使用红外CO2传感器6004，其优点是响应速度快，测量精度高、价格便宜，可以很好的满足农户的要求。该二氧化碳传感器的系统主要由光学系统和外围电路组成，其中，光学系统包括红外光源、采样气室以及探测器，外围电路包括STM32 单片机、光源驱动电路、电源电路、温度采集电路、加热模块、滤波放大电路、A/D转换电路、无线蓝牙模块以及上位机。二氧化碳浓度调节规律：日出后二氧化碳浓度快速下降，上午九点时降至196mg/m3左右，出现二氧化碳饥饿，这时候即使进行通风也不能够满足植物生长，这样必须在大棚内添加有机肥以便二氧化碳浓度在1080～1473 mg/m3之间。

3.3 光照度调节

光照使蔬菜进行光合作用必不可缺的能源，光照强度的高低将会直接对蔬菜的光合作用产生影响，光照强度高，产量就高，光照强度低，产量就低。也有人用其他农作物进行实验，当光照只有一半时，产量降到49.4%；光照只有三分之一时，产量急剧减少，只有原来的13%，这也进一步表明光照强度和产量之间成正比。

本文针对温室大棚中植物不同光质比的补光特点选用LXD 系列可见光硅光电池中的LXD23 CV-R 硅光电池二极管和LXD23CV B 硅光电池二极管，分别用来检测红光和蓝光的强度，同时选用基于BH1750FVI 的数字光模块GY 3 0 来检。测环境的光照强度。采用不同的光照传感器来检测不同的光照强度可以充分发挥各自的检测优势，对GY 3 0 而言对环境检测范围大、精度高等优点，LXD23 CV R 与LXD23CV B 对单色光强度检测更有优势。单色光色彩传感器LXD23CV R 和LXD23CV B 是新型的半导体光敏原件，是由硅光电二极管和滤色器构成的一种传感器。这两种传感器因为具有简单的结构、强的抗干扰性能、高安全高可靠等特征，尤其是它的高灵敏度的色相感光，因而在检测识别等方面具有很好的应用前景。(1)红光光强传感器。红光光强检测芯片采用LXD23CV-R，在对植物进行智能补光时检测对应的光照强度，防止红光补光过量或补光不足等现象。实物图如图3 所示。(2)蓝光光强传感器。蓝光强检测芯片采用LXD23CV-B，在对植物进行智能补光时检测对应的光照强度，防止蓝光补光过量或补光不足等现象。实物图如图4 所示。(3)环境光强传感器。环境光强检测芯片采用GY-30，GY-30 数字光照模块是一种自带驱动电路的、照射范围高以及高分解的照度数字检测器，它的测量范围值在1-65536 勒克斯。对光照强度的测量中对光源的依赖较小，对红外线的影响也比较小，并且测量光谱范围肉眼可见。GY-30 光照传感器的测光芯片是由半导体制造商ROHM 生产的BH1750FVI，该芯片不仅具有较高的分辨率，而且相比具有费用高、电路复杂、光强采集不理想等缺陷的传统采光系统。BH1750FVI 具有明显的优势，前者使其测量的光强度范围较大，后者采光强度和精度都比较高，并且BH1750 还具有实时性强、容易实现与集成等优点，使得GY 3 0 光照传感器作为温室大棚环境光强检测模块非常适合。

图3 LXD23CV-R 传感器实物图

图4 LXD23CV-B 传感器实物图

4 结论

本系统设计的基与STM32 单片机控制芯片，使用多种传感器，采集温湿度、二氧化碳浓度以及光强度等参数，从而使得人们对其可以进行实时控制与监测。采用收集到的数据对该系统进行深入的分析提供了精确的数据支持，从而使大棚组件进行智能管理，向现代化智能大棚发展，大大提高农作物产量。