高原大棚环境监测和控制系统设计*

罗卫艳，李 峰，郭永刚（西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏林芝 860000）

高原地区气候因地势高地起伏变化而不同，气候区域性差别极大，昼夜温差大，地面积温不明显且长期处于无霜季，如此不利于发展露地农业生产活动，而且该区的可发展农业土地质量较差，发展农业种植大棚设施是补给该区天然生长环境的有效途径。然而该区农业大棚发展起步较晚，多地区还以单个及人工管理控制为主，为了优化农作物生长所需的环境条件，大量学者基于单片机或物联网等手段进行了对不同大棚温度、光照等环境控制系统的设计，高龙[1]等基于单片机设计大棚温度光照控制系统，在实验模型应用该设计系统能够很好的控制温度和光照。王峰[2]、刘亚伟[3]、廖建尚[4]等实现了基于物联网手段分别对农业大棚室内温度自动控制和整体农作物生长所需的环境条件进行系统的研究，均达到了预期的效果，实现了对大棚温度较好稳定的调节控制及室内农作物生长环境要求的完美控制；刘士光[5]等主要介绍了基于温室多功能测控的硬件组成结构和工作原理，测试后得出这种技术较为简单可靠，适合在农业设施中应用。

上述介绍多基于试验或者农业大产区开展的研究，然而，相对高原地区设施农业在技术方面多为引进型，最新的研究成果或是高科技成果受资金等原因还未能在设施农业中应用，现存为传统的塑料大棚，不能满足不同作物对所需生长环境的要求，为了给高原地区大棚不同农作物提供更好的生长环境，本文借用传感器实时监测作物生长环境的各种参数，以监测和控制大棚农作物物生长环境中的温度、湿度、光照强度和土壤湿度为目标，利用单片机和温湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器、继电器、排气扇以及辅光灯设计了一种高原大棚环境监测和控制系统，该系统可以全天候对农作物生长环境中的土壤湿度、光照强度、空气湿度、空气温度及二氧化碳含量等信息进行监测，对于超出阈值的环境参数可以自动开启排气扇或辅光灯进行智能控制，不仅能够很好的改善大棚内农作物的生长环境而且释放人力减少经济投入。

系统总体方案设计

高原大棚监测和控制系统逻辑框图如图1所示。该系统以单片机为核心，使用温湿度传感器获取植物生长环境中的温度和湿度信息，采用光照强度传感器获取环境中的光照强度，同时可以将这些参数实时显示在显示屏上，并且还可以设置控制参数通过单片机连接的执行机构对植物的生长环境的部分条件进行控制。

图1 系统逻辑框图

硬件设计

硬件设计主要包括单片机最小系统、液晶驱动电路、温湿度传感器驱动电路、光照强度传感器驱动电路、独立按键电路以及继电器控制电路等六部分的硬件电路设计，电路原理图如图2所示。

图2 单片机最小系统电路原理图

单片机小系统

本系统使用的单片机是STC89C52RC，这款单片机是多年前的产品，是使用MCS-51内核的8位单片机，具有功耗低、易使用、价格低、超强抗干扰信息资料丰富等特点。单片机最小系统主要包括电源电路、复位电路和时钟电路，属于单片机工作的最基本的电路，最小系统的设计直接关系到单片机工作是否稳定，进而影响未来整个系统的工作。设计中使用的单片机为5 V单片机所以供电单片机采用5 V供电。复位电路采用电阻持续为电容充电的方式实现延时上电复位的目的。由于无线通信模块使用9600波特率与上位机电脑进行通信，为了方便产生该波特率的信号，时钟电路的晶振选择11.0592 MHz。为了进一步提高系统的稳定性在晶振两个引脚与地之间分别连接一个22 pF电容。

液晶驱动电路

本系统所选液晶显示模块为LCD1602液晶显示模块，该液晶具有16个引脚，其中包括八个数据引脚、两个液晶供电、两个液晶背光供电、读/写控制、数据/命令选择、液晶使能等。为了方便编程八位数据线与单片机的一个完整的端口八位输出相连，该设计选择的是P0口。由于其他控制线均使用位控制。液晶电源和背光电源均采用5 V供电。

温湿度传感器电路

从经济和实际应用场景的角度分析，本系统使用DHT11传感器作为温湿度传感器。该传感器集成温度和湿度检测功能，虽然精度和检测范围可以达到本设计的要求。DHT11温湿度传感器拥有4个引脚其中有一个空脚、一个数据引脚和两个供电引脚，在使用的模块中厂家只对3个有用引脚进行了引出。DHT11可以支持5 V供电，在电路设计时该模块使用5 V供电，数据脚与单片机P1.0进行连接。

光照强度传感器电路

本系统使用基于BH1750数字光照芯片的传感器模块，该数字光照强度传感器模块拥有5个引脚，分别为两个供电引脚、两个IIC通信引脚和一个模拟量输出引脚。由于在设计中并没有用到模拟量的读取所以模拟输出引脚置空，IIC通信引脚单片机的P1.1和P1.2引脚模拟的IIC通信引脚相连。同样的该模块支持5 V供电，所以在设计中使用5 V对该模块供电。

继电器驱动电路

相对于单片机引脚的输出能力继电器属于大功率原件。在该设计中使用的继电器为5 V继电器，经实测在5 V供电的情况下电流可以到达70 mA左右，在降低电压的情况下继电器吸合的最小电流也要超过30 mA。为了提高系统的稳定性和可靠性需要为继电器添加驱动电路。在本设计中继电器采用S8550三极管进行驱动，首先继电器的一条控制线连接电源的正极，另一脚连接三极管的集电极，三极管的发射极接地，基极串联电阻后与单片机P1.3引脚和P1.4引脚相连。在单片机输出高电平时三极管工作在截止区继电器不工作。当单片机引脚输出低电平时三极管工作在饱和区，继电器吸合。

软件设计

软件设计从功能上主要包括液晶驱动、温湿度传感器读取、光照强度传感器数据读取、按键读取、继电器控制、主程序设计等部分程序设计。

按键程序

本系统的按键部分采用独立按键设计。当按键被按下时相应引脚电平会被拉低，此时程序可以读取到对应端口的数据位逻辑“0”，既逻辑“0”代表按键被按下。当发现按键被按下时首先会进行10 ms的防抖延时，防抖延时结束后会再次检测按键是否被按下，如果依旧被按下则执行对应的程序段，如果没有被按下则不做任何操作继续执行后续程序（图3）。

光照强度获取程序

在通信协议方面，由于光照强度传感器使用BH1750芯片，而BH1750芯片与控制器之间的通信协议为IIC协议。由于单片机内并无集成硬件IIC控制器，所以需要用单片机的普通IO口进行模拟。在通信内容上，BH1750的默认地址为0x46，首先向总线发送BH1750的地址并等待其相应，然后发送初始化和转换命令，最后根据数据格式依次读出传感器检测到的信息，由于每次只能传输8 bit的信息，而芯片内的AD采样为16 bit所以在读取完成后需要对读取到的数据进行拼接操作[3]。

液晶驱动程序

液晶驱动程序也包括初始化和控制两部分，与串口通信类似液晶驱动程序的初始化是对液晶工作模式的设置。控制部分是对液晶显示内容的设置。液晶初始化一共需要四个步骤，首先需要发送打开显示命令，第二步设置隐藏光标，第三步设置显示指针在显示完成一个字节后自动加一，这有利于简化程序提高程序运行效率，最后执行清屏操作。

液晶显示控制共需要两类操作，一是设置显示位置，二是设置显示内容。上文初始化部分中提到显示指针会在显示完成后指针自动加一。所以在显示过程中首先设置显示位置，然后连续对显示内容进行设置直到显示完成或者需要更换位置进行显示。

主程序

主程序主要完成本系统的业务逻辑，其他程序用于辅助完成本系统的各项功能。主程序是一个循环，在主程序执行之初需要对系统进行初始化，其中主要包括单片机内部功能单元初始化和外部模块初始化，然后进入主循环。在主循环中首先执行按键控制子程序，用于调节温湿度和光照强度的上下限。然后会依次执行光照强度获取子程序和温湿度获取子程序，用于从光照强度传感器和温湿度传感器中读取当前光照强度和温湿度值。然后判断当前温湿度和光照强度是否超标，并根据比较结果执行开关排气扇和辅光灯的相应操作。最后调用液晶显示子程序将当前系统状态显示在屏幕上（图3）。

图3 按键处理程序流程图

总结

本设计建立在对单片机的使用和了解知识基础之上结合应用各种传感器以及日光灯、排气扇等执行机构实现了对植物生长环境中的光照、温度和湿度等要素的实时监测和控制。借助在实验室搭建的小型仿真模拟大棚，分别对湿度、光照和温度等主要影响作物生长指标进行监测控制试验，即改变棚外和棚内的条件指标参数和设定指标参数，利用观察其调节所需时间和调节变化值与设定值的差来判断该系统工作的可靠度，结合对西藏某高校实验基地的大棚中应用发现，该监测控制系统能够在不同气候环境和不同时间段实时监测和控制调节，满足农作物在成长过程中所需的环境条件。在未来智慧农业的发展中，该设计或者类似设计的推广及应用势必能提高大棚设施农产品的产量和质量，促进高原大棚农业高效快速发展，对发展现代农业具有重要意义。