基于AT89C51 的北方设施农业大棚温控系统设计

贾超，侯彦泽，张奥

（1.内蒙古工业大学 内蒙古呼和浩特，010010；2.大连市气象服务中心，辽宁大连，116001）

0 引言

智慧设施农业是指在室内或半室内利用现代信息技术和智能化设备，对农业生产过程中的种植、养殖、管理等进行全方位、全过程的智能化管理，以提高农业生产效率、质量和可持续发展水平的一种农业生产方式。目前，荷兰的设施农业技术已经发展成为一个高度智能化、自动化和数字化的农业生产系统。日本、以色列、美国等国在设施农业领域的自动化和智能化程度较高，具有一定的特色和优势[1]。我国的设施农业发展，主要以温室和大棚为主。2016 年，我国设施农业总面积已经达到1.8 亿亩，占全国耕地面积的8.3%，已然成为我国农业生产的重要组成部分。通过采取政策、财政和技术支持，市场推广，建设示范基地等措施，加大发展设施农业的支持力度，加速提升相关产业的自动化、数字化和智能化程度，效果显著[2]。

首先，设施农业的南北地区经济发展不均衡，呈现“南强北弱”的格局[3]。其次，相较发达国家，我国相关技术水平还存在差距，仍有提升空间。再次，设施农业的成本较高，这成为制约该产业发展的一个因素[3]。最后，设施农业的可持续发展需要绿色低碳节能的技术作为支撑。

针对我国北方设施农业发展面临的问题，本文提出一种基于AT89C51 的设施农业控制系统设计方案。

1 设计方案

系统设计内容是通过物联网技术，制作出能够实现控制农业大棚内环境、故障调整、异常报警，信息无线上传、远程终端监控功能的智能农业大棚内环境监控系统。基于物联网和AT89C51 的智能农业大棚内环境监控系统由硬件系统和软件系统构成，利用ESP8266 通信模块可通过MQTT协议与云端以及终端 产生有效连接，实现远程通信、远程监控功能[4,5]。

■1.1 硬件系统设计

硬件系统是智能农业大棚内环境监控系统的骨干，它由程序调控，通过驱动电路对外设进行操作，充分发挥无线通信的优势，实现数据的上传显示和远程操控，故本系统设计思路如下。

1.1.1 主控硬件框架

鉴于北方大棚农业生产的现实情况，从成本角度出发，本着简单实用的设计思路对硬件电路进行设计。硬件结构由六部分组成，分别是主控模块、传感模块、显示模块、驱动模块、通讯模块和电源模块。

（1）主控模块：主控芯片是AT89C51 型单片机，采用爱特梅尔公司（ATMEL）设计生产的MCS-51（是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能集成的电路芯片）作为微控制器，可直接连接驱动电路，负责处理接收到的数据并产生控制信号来唤醒驱动模块；

（2）传感模块：由布设在大棚空间内多个不同区域预设点位的温度传感器、湿度传感器和光敏传感器构成，负责采集大棚内环境各预设点位的温度、湿度和光照数据；

（3）显示模块：其核心部件是SMG12864ZK 液晶显示模块，负责实时显示大棚内各项指定的环境监测数据；

（4）驱动模块：主要负责将弱电转换为强电，驱动和控制如通风照明系统、滴灌系统和采暖系统等外设，产生相应的执行动作，对大棚内环境进行调节，且数据异常时可触发预警系统；

（5）通讯模块：采用ESP8266 模块（是一款高性能的WiFi 串口模块，内部集成MCU 能实现单片机之间串口通信，是目前使用最广泛的一种WiFi 模块之一，可将其简单理解为一个WiFi 转串口的设备）进行云端连接，通过主控板的UART 端口（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 通用异步收发器，芯片间的通信接口）实现数据信息的系统与终端间交互，即可实现将主控模块处理的数据上传云端，下传控制指令；

（6）电源模块：负责将市电转换为稳定地电路的额定电流和电压驱动整体电路正常工作。特别指出的是，供电设计采用扁平耦合器TLP127（适用于贴片安装，包含一个砷化镓红外发光二极管，该二极管光耦合到一个达林顿光电晶体管，适合工作范围为-55℃～100℃）为供电电路消除前期噪声，防止漏电情况发生。

图1 硬件组成框图

1.1.2 供电安全及显示

基于AT89C51 的农业大棚控制电路设计中，扁平耦合器TLP127 可以用于隔离输入输出信号，防止信号干扰和电气隔离，提高系统的稳定性和可靠性。具体来说，AT89C51单片机的输入输出电路是通过晶体管或MOS 管来完成的，其与外界存在电学连接，使输入输出端口易受到外部电气噪声或漏电流等异常信号干扰，导致单片机运行不稳定甚至崩溃。扁平耦合器TLP127 通过光学信号隔离输入输出信号，避免了电学连接，从而有效地消除电气噪声和漏电流等异常信号的干扰，提高了系统的稳定性和可靠性。该耦合器还具有高耐电压、高速响应、小封装体积的特点，被广泛地应用于农业大棚控制电路中。

SMG12864ZK 模块是128×64 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312 码简体中文字库、128 个字符及64×256 点阵显示RAM。提供8位并行、串行两种连接方式和两种界面来连接微处理机。具有光标显示、画面移位、睡眠模式等功能。可以显示三种字型，三种字型的选择由写入DDRAM 中的编码决定。

图2 SMG12864ZK 的8 位并行电路连接示意图

■1.2 软件系统设计

为突出简约实用的特点，更好地适用于北方农业大棚生产，结合成本等多方面现实因素考量，在保留现有设施农业大棚内环境监控系统优势的基础上，对其功能进行了整合和简化，主程序设计采用模块化设计理念，使其脉络简洁清晰，便于查找问题和后期运维。主程序包含初始化程序模块、数据采集程序模块、数据传输程序模块、控制程序模块、预警程序模块。主程序框图见图3。

图3 主程序框图

各个程序子模块的功能设计如下：

（1）初始化程序模块：用户验证信息后登录，程序即进入初始化操作流程。程序初始化同时完成网络传输初始化、状态开关初始化、模拟采集量初始化、数字采集量初始化、驱动初始化五个部分工作。初始化的目的是完成对各个管脚复位、清空临时缓存、设定数据采集频次为20～60s/次，默认60s，设定数据上传时间间隔5～10min/次，系统默认5min/次。

图4 初始化流程

（2）数据采集程序模块：大棚内各预置设定点位的传感器，通过识别主控芯片发出的相应指令完成对大棚内各项环境参数的采集和数字滤波处理工作。

图5 数据采集流程

（3）数据传输程序模块：完成数据上传与命令接收。按照(1)中的相应的规定时间间隔设定，将规定时间间隔内获得的数据打包传输至云端，且实时接收云端发出的控制指令，实现远程控制和信息交互。

（4）控制程序模块：对各预设点位采集到的数据进行处理和判断，对不同的外设生成相应的控制信号，最终由驱动单元对执行外设进行控制，达到及时调节大棚内环境参数的目的。

（5）预警程序模块：监控各外设和既定程序是否正常运转，依据阈值设定预警环境参数的异常，利用断点判断程序是否正常，如程序“卡死”即预警，并自动重启。外设设有程序手动复位开关和终端界面故障灯亮起等提示性功能。

■1.3 网络设计

网络架构，是智慧设施农业大棚内环境监控系统设计的核心，是联系各功能执行硬件、实现数据传输和协调外设的纽带。本系统的网络设计由物联网、通信协议、云端配置和Web 界面四个部分构成。

1.3.1 物联网架构

物联网由传感层、网络层、交互层和应用层组成。传感层主要是负责通过传感器来识别和收集信息，AT89C51 主控板通过不同接口形式的传感数据来学习传感层的数据构成；网络层负责传输上述信息，利用AT 指令，将数据通过WiFi 传送到物联网云端。交互层负责数据的鉴权、接入和转发。通过阿里云和MQTT 协议，接入云平台需要的鉴权方式。应用层负责结合具体的应用需求，利用可视化工具，建立服务、Web 显示、调度和控制界面，便捷地编制出终端控制的APP 在云端上对数据进行计算和处理，以此来实现智能化的物联网应用。

1.3.2 通信协议

目前，物联网硬件控制单元与用户终端通信方式多数是基于HTTP，即超文本传输协议，但存在对网络资源消耗较大、延迟较高等问题，无法满足需求[3～7]。而紫峰通信协议Zigbee 易受干扰，远距离通信能力不佳，应用在远程物联网智慧设施农业大棚内环境监控系统中会放大这一劣势[6,7]。MQTT 协议是基于客户端到服务器，支持消息发布和订阅的消息传输协议[7]，其代码占用空间低，可应用于高延迟、宽带有线网络。阿里云平台，其远程通信（MQTTNbiot）通过公有云代理服务器进行，由API 接口可连接到阿里云平台。UI 界面简洁易学，可按需定制功能。提供相应的Web 页面，支持云存储，数据处理等操作。采用MQTT 协议，这与当下的使用环境更加匹配，AT89C51 主控板也可兼容。

1.3.3 云端配置

监测功能是智慧设施农业大棚内环境监控系统的主体功能，利用传感器、无线网络等技术优势，以阿里云为云端平台为媒介，通过无线网络模块上传数据，将获得的信息形成可视化UI 界面，为用户提供更加便捷可靠的使用体验。登录云端后，在设置选项中显示实际应用场景涉及的大多数常见功能属性，用户可根据需求挑选需要监管控制的功能属性，实现个性化定制。

图6 自定义功能界面

依据用户需求设定属性和功能后，即可以进入个人定制的状态监控界面，通过云端与大棚的数据传输，实现对设施农业大棚内环境的远程监控。可结合实时显示的各项数据，实现对大棚内环境参数的远程手动管理和外设的控制功能。

图7 Web 界面

智能农业大棚内环境监控系统是一款以计算机、物联网等技术紧密综合的智能服务系统，虽然以物联网应用为基础，在智能化、数据化管理、实时监测、远程控制等方面有着明显的优势，但也面临着一定的技术风险等劣势。首先是安全风险问题。AT89C51 的芯片安全性较低，容易受到攻击和恶意软件的侵害。其中，监控系统需要通过云计算和物联网技术进行数据传输和交互，存在网络安全问题。对于该问题至今仍在寻求和尝试低成本且效果良好的解决方案。

2 结语

自“十四五”规划以来，我国为更好地保障人民的“粮袋子”和“菜篮子”，一直在智慧设施农业技术发展创新方面给予高度关注和大力支持。本文所述的智慧农业大棚内环境监控系统，以云端定制和优良的响应度为特色，为北方设施农业智能化、增效节能化提供了一种可行方案和数据支撑，虽仍存在不足，但能满足北方设施农业的日常生产需求。同时该方案也会依据用户需求和反馈以及创新理念进行不断迭代，为北方设施农业生产技术发展提供数据支撑。