多信息融合的温室环境测控系统设计

胡保玲，解思博，周昊强，马 俊，卢厚义，吴庆洋

（1.巢湖学院 计算机与人工智能学院，安徽 巢湖 238024；2.巢湖学院 电子工程学院，安徽 巢湖 238024；3.巢湖学院 工商管理学院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

为了提升温室环境的生产效率并确保科学管理，自动化设备在调控温室内部的温度和湿度方面发挥了重要作用，为农作物创造更好的生长条件，并带来更高的经济回报。因此，设计出精准有效的温室环境测控系统具有重要的意义。国内外学者对其进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果。陈子光等[1]设计了一种温湿度数据的检测存储管理系统，通过用工业级无线模块进行数据传输，从而有效地实现了温度的精确检测控制。范明民[2]以STM32 芯片为核心处理器，并利用温湿度传感器DHT11 来采集环境温湿度信息，设计了一种温度与湿度控制系统，实现了对机房温湿度的检测与记录。张俪亭等[3]在分析了温室大棚控制需求的基础上，设计了一种基于AT89C52 的温室大棚温度湿度自动控制系统，从而实现了温室内部环境参数的自动调节。张叶茂等[4]设计了一套智能温室控制系统，有效地实现了温室大棚环境的参数采集、信号传输和智能控制。李旺昆[5]设计了一种基于PLC 控制的农业大棚的温湿度自动控制系统，确保环境各项参数达到稳定预定值。王宾[6]设计了一种基于单片机和AM2301B 温湿度传感器的温室环境自动控制系统，实现了环境的实际温、湿度自动调节。张云帆等[7]设计了一种温湿度智能控制系统，该控制系统能够实时地监测采集数据，并根据反馈数据实时做出调节措施。要楠等[8]设计了一种以Arduino 为核心的智能温湿度控制系统，其包含温湿度传感器、OLED 显示器、测量压强模块、报警器和火情检测器，并加入了键盘输入模块，能够更好地实现人机联动。沈华刚等[9]采用AT89C51 单片机作为控制中心，设计了一款温湿度检测控制系统，实现了温室环境信息的自动检测与报警。

以上文献中研究人员对温室环境智能测控系统进行了大量的研究与设计，并取得了一定的研究成果。本文将在上述研究的基础上，设计一种更加灵敏完善的温室环境参数智能测控系统，通过采用温湿度传感器实时检测环境变化，并配置了液晶显示模块，使其观察更加准确，从而有效地满足人们对温室环境智能检测与控制的需求。

1 温室测控系统设计与硬件选型

多信息融合的温室环境测控系统主要具备温度数值与湿度数值的检测功能，将检测结果通过单片机处理，并利用温度控制、湿度控制模块来调节环境参数。基于对温室环境的功能需求分析，本次设计拟采用AT89C52 单片机为处理器，通过DHT11 型温湿度传感器来实时测量温室内部温湿度数值，然后通过显示模块来实时显示检测的温湿度数值是否超过警报阈值，并利用温度控制、湿度控制模块来实时调节温湿度信息。因此该系统主要包含7 个模块，即主控电路与显示模块、温湿度传感器模块、电源模块、按键模块、温度控制模块、湿度控制模块、报警模块，其核心系统组成框架如图1所示。

图1 系统总体成框图

1.1 主控电路与显示模块设计

单片机又称单片微控制器，即一块芯片为一台小型计算机。它具有体积极小、携带方便、价格低廉等特性，使它在工业控制领域及生活中都有着极为广泛的应用。本设计拟采用运用最为广泛的AT89C52 单片机为主控电路的核心处理器，它是一种低功耗却有着极高性能的8位微处理器，有40 个引脚和3 种封装方式。其中40 个引脚大致可分为4 类：时钟、电源、控制和4 组I/O 引脚。主控电路包括单片机核心处理器本身、复位电路以及时钟电路。此外，本设计的显示模块选用LCD1602 液晶显示模块，它是一种工业字符型液晶，能够同时显示16 列2 行，即32 个字符。主控电路与显示模块如图2 所示。

图2 主控电路与显示模块

1.2 温湿度传感器模块设计

本设计采用传感器DHT11 来进行温湿度信息的采集。该传感器将数据输入/输出的管脚与I/O 口进行直接连接，再通过微处理器对传感器进行测控，以将所采集的温室环境的温湿度信息传输到处理器运算中。温湿度传感器模块如图3所示。

图3 温湿度传感器模块

1.3 电源模块设计

本次设计所采用的电源结构原理如图4 所示，其作用为该系统的各个模块提供充足稳定的能量，以保障系统各模块顺利运作。这种稳定且连续的电源供应，对于维持系统的正常运作，尤其是在实时检测和控制温室环境的过程中，具有极其重要的作用。

图4 电源模块

1.4 按键模块设计

本设计选用独立式键盘，它的优点是电路不复杂。利用P 2.1-P 2.3 口进行实现，所有开关打开时，则都为高电平，而在经过与门时也不会变化，故不会中断。当其中某一键按下时，则为低电平，并向中央处理器发起中断申请，在处理器响应后，按指令以行使相应职责。按键模块如图5所示，其中S 1 起到控制需调整对象的功能，S 3 与S 4 分别起增加数值与减少数值的作用。

图5 按键模块

1.5 温度控制模块设计

本设计中的温度控制模块通过三极管驱动，当测量出的温度数值不在设定范围内时，信号由高电平转变成低电平，三极管导通，继电器吸合，继电器相当于起开关的作用，能够驱动负载。当温度高于预设上限时，Q 3 导通、D 2 发亮、蜂鸣器发声，同时风扇转动进行降温；当温度低于预设下限时，Q 4 导通、D 3 发亮、蜂鸣器发声，加热棒开始工作进行升温。温度控制模块如图6 所示。

图6 温度控制模块

1.6 湿度控制模块设计

湿度控制模块也是通过三极管来驱动的，当测量出的湿度数值不在设定范围内时，信号由高电平转变成低电平，三极管导通，继电器吸合以驱动负载。当湿度高于预设上限时，Q2 导通、发光二极管D1 发亮、蜂鸣器发声，同时风扇转动进行烘干；当湿度低于预设下限时，Q5 导通、D4 发亮、蜂鸣器发声，微型水泵工作进行加湿。湿度控制模块如图7 所示。

图7 湿度控制模块

1.7 报警模块设计

蜂鸣报警器是适用性极广的装置，本设计所用蜂鸣器只需约10 mA 的电流便足以运作，三极管也能够对它进行驱动。输出高电平时，晶体管会处于导通的状态，此时蜂鸣器的两端会获得约5 V 的电压而发声；输出低电平时，三极管则会处于截止状态，蜂鸣器不发声报警模块原理如图8 所示。

图8 报警模块

2 系统测试与实验验证

在设计好系统后，需对系统进行调试以排除系统可能存在的故障，并不断完善系统的各个硬件及软件结构，从而保障系统能够准确无误地达到所预期的功能。本设计的调试方法包含：系统性能测试、温湿度测控模拟实验。

2.1 系统性能测试

本设计主要进行温湿度上下限4 种状态下的模拟测试，运行状态如图9，测试效果如下：

图9 4 种运行状态效果图

状态一：湿度高于预设上限，第一个红灯亮起，蜂鸣器发声，烘干风扇工作以降低湿度，其余控制设备处于静止状态，如图9（a）。

状态二：湿度低于预设下限，第二个黄灯亮起，蜂鸣器发声，微型水泵工作进行加湿，以正常工作提高湿度，其余控制设备处于静止状态，如图9（b）。

状态三：温度高于预设上限，第三个红灯亮起，蜂鸣器发声，降温风扇工作进行降温，其余控制设备处于静止状态，如图9（c）。

状态四：温度低于预设下限，第四个黄灯亮起，蜂鸣器发声，加热棒工作以达到升温的目的，以正常工作提高温度，其余控制设备处于静止状态，如图9（d）。

2.2 温湿度测控模拟实验

为更加全面地分析本系统的功能，验证所设计系统的实际运行效果是否达到设计需求，本课题构建了简易的模拟装置对系统进行温湿度检测模拟实验，分别针对温度、湿度进行2类不同实验，并记录了相应控制设备的运转情况。

（1）温度测控模拟实验

首先，进行温度上下限报警的相关实验，将模拟温室置于适当环境下，每隔10 min 记录模拟温室室内温度的测量值、报警情况及相应控制设备的运作情况（温度单位为℃）。不同时刻的具体情况如图10 所示，并记录每个时刻所对应的测量数据，实验记录如表1。其中，时刻一为温度低于下限值，加热棒工作、蜂鸣器报警、LED 常亮；时刻二为温度在阈值内；时刻三到达温度逐渐升高至上限值，风扇降温、蜂鸣器报警、LED 常亮。时刻四与五检测温度超过阈值，降温风扇工作以降低温度数值。时刻六系统温度继续下降，回到预设值范围内。从图10 与表1 的结果可知：在进行温度上下限检测与控制模拟实验时，该系统可正常运行，达到实时检测温度信息并将其调整正常范围内的目的。

表1 温度测控实验数据记录表

图10 （续）

（2）湿度测控模拟实验

在排除湿度上下限值外其他限值的影响下，进行湿度上下限报警的相关实验，将系统置于模拟温室内，每隔10 min 记录模拟温室环境下相对湿度的测量值、报警情况及相应控制设备的运作情况（相对湿度单位为%）。不同时刻的具体情况如图11 所示，实验数据记录于表2。

表2 湿度测控实验数据记录表

图11 不同时刻下相对湿度测控效果

在实验中，记录每个时刻所对应的测量数据，其中，时刻一为相对湿度下降至超过预设下限值，蜂鸣器报警、水泵工作；时刻二和时刻一状态一样，但相对湿度处于上升状态；时刻三在正常阈值范围内，所有设备均不工作；当相对湿度上升并超过预设上限值，蜂鸣器发声报警、LED 常亮，烘干风扇工作进行干燥降湿，时刻四与时刻五为相对湿度上升至超过预设上限值，蜂鸣器发声报警、LED常亮，烘干风扇工作进行干燥降湿，随着烘干风扇的工作，相对湿度逐渐回归正常阈值范围内。时刻六为相对湿度回归正常，所有设备均不工作。从图11 与表2 的结果可知：在进行相对湿度上下限检测与控制模拟实验时，该系统均可正常运行。

综合以上实验及数据图表可知：所设计系统能够达到基本功能需求，有效地实现了“温度上下限检测与控制”和“湿度上下限检测与控制”2 种不同情况的模拟实验，进一步验证了所设计的温室环境测控系统的可行性与有效性。

3 结语

通过对多信息融合的温室环境测控系统设计的需求分析，本文首先采用AT89C52 单片机为核心的主控电路，并配合显示模块、温湿度传感器模块、电源模块、按键模块、温度控制模块、湿度控制模块、报警模块等组成。然后，设计了相应的软件模块以驱动系统，并对系统进行性能测试证明设计系统可正常工作。最后，制作实物系统分别进行温度测控与湿度测控2种情况的模拟实验。实验结果表明，所设计温室环境测控系统可以有效地实现对温度与湿度的检测，从而达到控制温室室内环境的恒温恒湿效果。