智能温室大棚自动控制系统的设计

吴 彬，刘 煜，马鑫磊

（鄂尔多斯应用技术学院，017020，内蒙古鄂尔多斯）

农业在我国有着举足轻重的地位，温室大棚在农业生产中起着关键作用。随着科学技术的发展，温室大棚也从传统模式向现代模式发展。自1999 年美国麻省理工学院的教授Kevin Ashton 提出了物联网IoT(Internet of Thing)的概念以来，万物互联不断发展已经衍生出农业物联网的概念。但是我国温室大棚分散、不集中，导致物联网铺设线路复杂困难，维护成本高。在智能温室大棚领域，一些西方发达国家对农业控制系统涉足较早，以色列基于计算机控制技术开发了环境变量调控系统，并辅助以一些机械装置如天窗、幕帘等自动调节光线强度，再通过计算机与现场设备通信实现自动灌溉与施肥。总的来说，我国温室大棚自动控制与管理和发达国家相比还存在较大的差距。

结合以上问题，本文设计了一种可以自动将温室大棚内的温度、湿度、光照控制在人为设定值范围内的控制系统，采用无线网传输的方式，并与各传感器节点相结合，具有成本低、时效性强、操作简单的特点。

1 系统整体设计方案

控制系统通常有给定环节、比较环节、控制器、放大器、执行机构和反馈环节。主控节点相当于给定环节；控制节点就相当于比较环节、控制器、放大环节和执行机构的集合体；采集节点就相当于反馈节点；通用节点相当于比较环节、控制器、放大环节、执行机构和反馈环节的结合（其就相当于采集节点、中继节点和控制节点的结合），其内部已经构成反馈回路，只需加上给定环节就可以构成自动控制系统。将这些节点通过上述输入输出关系进行连接就能组成一个多输入多输出的多控制变量的数字计算机控制系统。设计的控制系统结构框图如图1 所示。

图1 多控制变量控制系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee 芯片CC2530

CC2530 是一个内核为8051 的单片机，最高时钟频率为32 MHz，提供了18 个中断源和4 级中断优先级，片内集成8 k SRAM、32～256 k FLASH，并配有1个DMA 控制器，配有21 个I/O 端口，挂有定时器、ADC、DAC、看门狗、串口、随机数发生器和AES 协处理器等外设。CC2530 最小系统为维持正常运行必需的外围电路，由于芯片涉及无线传输，故还必须有高频无线信号传输电路。

CC2530 是一块41 脚的芯片，各引脚所连接电路如图2 所示，其中第41 脚在芯片封装底部为接地端。P1_4 所接LED 的作用是显示网络的状态。

图2 CC2530 芯片主体及外围网络

2.2 FC-28 土壤湿度采集模块（4 线）

4 线制的FC-28 可以将土壤湿度采集并转化为模拟电压信号输出，可以用CC2530 的ADC 对其进行采集。其连接电路如图3 所示。

图3 FC-28 连接电路

2.3 DHT11 温湿度采集电路

DHT11 采用4 引脚的封装，1 脚为电源引脚，2 脚为单线双向的串行数据接口用于数据的传输，3 脚悬空，4 脚为地。为使传输更为稳定，常在2 脚上拉电阻。其连接电路如图4 所示。

图4 DHT11 连接电路

2.4 GY-302 光照度采集模块

GY-302 光照度采集模块板载了BH1750 芯片，可以实现光照度的采集并通过IIC 总线将采集的数据数字量进行传输。其连接电路如图5 所示。

图5 GY-302 连接电路

3 系统软件设计

控制节点功能是通过采集节点反馈的环境数据和用户通过主控节点设定的环境变量的期望值来控制环境变量。程序中当节点睡眠时若有发给该节点的数据，则数据会暂存到其父节点中，待睡眠唤醒时，节点会自动从其父节点读取数据。若控制节点长时间未收到采集节点采集到的数据，则说明采集节点可能已经掉线。程序中对于这种情况的做法是向主控制节点发送一个设备离线信息，同时停止执行机构的动作。程序流程如图6 所示。

图6 控制节点程序流程图

4 功能测试与结果分析

4.1 系统调试目的

系统调试是系统设计的重要环节，调试是为了发现并排除系统中存在的错误，完善系统功能，有利于更好开展之后的工作。

4.2 测试方法

连接好电路后，在计算机上对温室大棚内土壤湿度、光照度、温度进行范围值的设定。当大棚内温度高于设定值时，排风扇开始旋转通风；当土壤湿度低于设定值时，抽水泵开始工作灌水，当检测到土壤湿度到达设定值时抽水泵停止工作；当大棚内光线不足低于设定值时，补光灯自动亮起，当光照度高于设定值时补光灯自动熄灭。

由于实际条件的限制，在系统数据测试时，选择一间有玻璃窗的封闭房间用于模拟温室大棚来测试系统的稳定性与准确性。

4.3 测试结果分析

通过实验得出各传感器都存在误差，但都在传感器要求范围内，水泵、补光灯、换气扇作出反应也是很迅速的。测试结果表明该系统的测量精度还是比较高的，显示器显示的数据和温室大棚内真实环境的状况基本上同步，实际应用功能基本达到要求。

5 结语

本次设计是基于芯片CC2530 和ZStark-CC2530-2.5.1a 协议栈平台以及物联网的概念设计的，设计的系统可以24 h 实时监测温室大棚内的环境变化，同时对环境作出调节，直至达到设定值范围，实现对温室大棚的自动控制。本系统成本低、功耗低、节点控制灵活、精度高、拓展容易，具有较高的经济效益，为温室大棚的自动化控制和管理提供了新的途径。