温室大棚环境自动监测与控制系统的设计

摘要：进行温室大棚环境自动监测与控制系统的设计，需了解温室大棚现存问题，从其根本所需入手，进行系统整体化设计，包括系统架构、硬件设计、软件设计、系统测试等，确保所设计出的温室大棚系统具备较好的适用性，能够彻底解决温室大棚在应用中遇到的各种问题，以此来确保温室大棚的种植效果，提升作物产量。

关键词：温室大棚；环境自动监测与控制；系统设计

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.006

中图分类号：TP 273            文献标志码：B            文章編码：1672-7274（2024）01-00-03

Design of Automatic Monitoring and Control System for Greenhouse Environment

CHENG Dandan

（Zhengzhou Vocational College of Finance， Taxation and Finance， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： To design an automatic monitoring and control system for the greenhouse environment， it is necessary to understand the existing problems in the greenhouse， start from their fundamental needs， and carry out a comprehensive system design， including system architecture， hardware design， software design， system testing， etc.， to ensure that the designed greenhouse system has good applicability and can completely solve various problems encountered in the application of greenhouse， To ensure the planting effect of the greenhouse and increase crop yield.

Key words： greenhouse; environmental automatic monitoring and control; system design

进入新时期以后，农业的迅速发展使很多地区开始引入温室大棚，以期为作物提供更好的生长环境并提升抗灾害能力。为避免出现温度、湿度、光照度等异常问题，有必要根据温室大棚的基本特征，进行环境自动监测、控制系统设计，以此来实现对大棚内各项环境参数的灵活调整。

1   温室大棚现存问题

温室大棚现存问题主要集中在以下方面：人工成本高、工作耗时长、生产效率低；生产数据采集滞后残缺、生产险情发现延误；高度依赖于人工操作，环境检测判断不精准；环境因素影响植物生长，收益低；智能温室控制效果差、控制因素单一；各类环境因素难以实现同步控制，难以实现自动报警等。综合以上因素，设计一种针对温室大棚环境中光照度、温湿度的自动控制系统，对于提升温室大棚的使用效果来说意义非凡^[1]。

2   温室大棚环境自动监测与控制系统

的设计对策

2.1 系统架构

系统整体设计内容为光照、温度、湿度的测量与控制系统，包括以下组成部分：电源模块、声光报警装置、LCD液晶显示屏、控制器、按键模块、光照度传感器GY-30、温湿度传感器DHT11、单片机STC89C52等；主要工作原理是：以STC89C52为整个系统核心，由光照度、温湿度传感器采集各类物理信号，加以处理，转化为电信号，输送到单片机；单片机灵活处理各类传感器信号，转化为输出信号，传输给显示屏。系统本身具备环境温度自动调节功能，在系统运行时，若检测到某项数据超限，会点亮对应警报灯，发出蜂鸣响声，让控制器继电器直接闭合，所对应控制装置启动；若光照超出最大限值，会在报警后自动启动遮光设备^[2]。

2.2 硬件设计

硬件设计包括以下内容。

（1）STC89C52单片机。单片机最小系统由时钟电路、电源电路、单片机、复位电路等组成。时钟电路的作用是在单片机运行时产生时钟信号，确保单片机按照时钟信号节拍执行各个指令。时钟产生方式包括两种：内部时钟、外部时钟，其中，外部时钟是将现用时钟信号从XTAL1、XTAL2直接送往单片，适用于多个单片机状况。考虑到本设计采用单个单片机系统，选择内部时钟模式，采用2个30 pF电容、12 MHz晶振与片内高增益反相放大器合力搭建自激振荡器；电源电路采用的是稳压范围宽、功耗低、体积小的开关电源装置，其中输入电压、输出电压分别为AC220 V、DC12 V，并直接向系统各个子模块提供相对稳定、持续的直流电源。复位电路采用上电+手动复位电路模式，在复位时让STC89C52RC的RST引脚获取不低于两个机器周期的高电平，以上电复位来说，在单片机上电时，会让电源+5 V的Vcc借助10kΩ电阻完成对10 uF电容充电，且在刚上电阶段，部分较大电流从Vcc经电阻、电容流向GND，因电容两端电压不会发生突变，故而仍是0V，电压两端获取5 V电压，RST引脚电势5 V，持续充电，电流降低，电阻两端电压、RST引脚电势随之降低，持续一段时间后，观察到RST引脚两端电压下降到高电平以下时，在充电两个周期，实现单片机复位^[3]。

（2）传感器模块。①温湿度传感器。温湿度传感器选择NH121百叶外壳大气温湿度三合一传感器，气温量程-40～60℃（误差±0.2℃），湿度量程0%～100%（误差±3%），气压量程600～1100hP（误差±0.1%），照度量程0-200klx（误差±5％），可实现自动转换，所用传感器接口后缀包括U2、I、R等形式。以U2接口后缀来说，其输出信号DC0-2 V，输出值计算：输出值=（输出电压mV/2 000 mV）×量程+量程起始值，接线定义：1Pin红：电源；2Pin绿：GND；3Pin黄：信号输出，功耗≤20 mW@5 V，工作电压DC4 V～24 V。该类传感器的应用优势在于结构坚固、使用寿命长、测量精度高、稳定性好、微功耗、传输距离长、抗外界干扰能力强^[4]。②光照度传感器。选择EM500-LGT光照传感器，可精准检测周围环境光照强弱变化，针对不同光照情况自动切换测量区间，光照測量区间0～65 535 lx，提供准确的光照信息，无须拆卸，使用NFC即可配置。具体应用流程：手机下载NFC配置工具Milesight ToolBox→打开手机NFC，靠近传感器→进行参数配置。此外传感器内置AD转换模块，支持直接输出读数，精度精确到1 lx，可满足系统整体设计标准。③CO₂传感器。供电电源为10～30 VDC，功耗为0.3 W（24 VDC），测量范围为0～5 000 ppm（默认），测量精度0～5 000 ppm：+（50 ppm+3%F·S）…，工作环境-10～+50°C.0-80%RH，系统预热时间为2 min（可用）、10 min（最大精度）；响应时间90%阶跃变化时一般小于90 s，平均电流＜85 mA，稳定性＜2%F·S，非线性＜1%F·S，数据更新时间为2 s，自带温度补偿。④其他传感器。比如土壤墒情传感器、土壤水分传感器等，按需配置。

（3）显示屏。选择LCD液晶显示屏，在各点收到信号后保持特定亮度、色彩，恒定发光，主要参数如下。电源：12 VDC 5A；操作系统：Windows 10 Pro（64位）；存储空间：32 GB固态硬盘；尺寸：205mm×220mm×40 mm；运行内存：4 GB金士顿DDR3 SDRAM 1 600 MHz；处理器：AMD E-350D APU with Radeon HD Graphics，有液晶、点阵、数码管和高亮灯板四种显示方式。

2.3 软件设计

软件设计按照模块布置各类功能，以此来实现整体化管理，在保证各个模块互联互通的同时，降低相互间的负面干扰。主要包括以下模块。

（1）监测功能模块。通过各类传感器监测大棚内环境数据：空气温湿度、二氧化碳、土壤温湿度等，根据采集数据，控制设备可以自动控制大棚内的执行设备，如通风设备、遮阳电机、电磁阀浇灌等^[5]。

（2）土壤墒情监测模块。该模块主要用于对温室大棚环境进行全天候监控，通过对各类监测数据的搜集、分析、传输、存储，实现对土壤变化情况的了解，为控制中心的相关决策提供数据支撑，以此来保证土壤种植有效性。

（3）自动虫情监测系统模块。其集光电技术、数控技术、害虫预警技术等各类技术于一体，及时上传温室大棚内各类害虫的基本分布、数量、变化趋势等，以数据的形式呈递于控制中心，并对其中偏离实际的、不具备参考意义的数据剔除，进行数据整体化分析，以此来为害虫诱集、远程监控、自动化处理等提供基础方案^[6]。

（4）智能孢子监测系统模块。该模块集成了电子数码显微、数字图像处理与人工智能识别、GMS全球数据传输等现代高新技术，集病菌孢子自动捕捉、自动识别、自动计数、自动存储等功能于一体，实现对病菌孢子的连续动态监测。

（5）灾情、苗情监测模块。灵活利用各类传感器，结合温室大棚需求进行传感器灵活布置，并实现对作物播种、间苗、肥水管理、采摘包装等各个流程的视频监控，以此来实现规范化作业；借助远程环境监控机制，确保对温室大棚管理人员的在线指导，包括技术指导、操作规范等，以此来避免因人员因素而造成的作物种植失当^[7]。

（6）控制模块。具有自动控制和远程控制两种控制模式：自动控制，通过光照度、温湿度等传感器作用，挖掘环境数据信息，利用单片机进行数据处理，通过LCD显示屏显示、判定数据是否在设定范围内。若在范围内需关闭加湿、加热、补光等设备；若不在范围内，一方面继续进行监测，更新监测数据，另一方面启动声光报警器、对应控制器，加热设备、降温设备、加湿设备、抽湿设备、补光装备、遮光装备等。在自动控制失效后，启动远程控制，通过鼠标操作可以切换本机上的监控画面和控制本机上的高速球旋转、自动归位；数字矩阵，可对电视墙上的监控图像进行智能化切换，并可预设监视器里自由切换、程序切换、定时切换程序，按照既定规则运行。

（7）展示平台模块。通过展示平台集中各项功能键，实现对各分部功能的集中化操作，为管理人员提供较大便利；且展示平台上显示大棚中的各类环境变化数据，方便针对异常情况的及时处理。

2.4 系统测试

为保障系统的可用性、有效性，需对其核心功能加以测试，确定以下内容。

（1）测试目的。系统测试是监测与控制系统设计的核心环节，主要是进行查漏补缺，健全系统功能，为后续工作提供数据支撑、参考。

（2）选定测试方法。①因成本、时间、人工等方面因素，在进行系统调试时，需考虑测试设备本身的实际执行力，选定不同类型马达、指示灯、小风扇等连接单片机，用于替代对应控制装置，其中小风扇、小灯工作代表降温设备、加热设备启动，不同颜色马达代表抽湿器、加湿器。还有两个小马达可表示补光设备、遮光设备。在温度超标时，小风扇启动以模拟降温设备工作；在温度过低时，启动对应马达模拟加湿机工作；在光照超限时，启动马达模拟遮光设备。②在实际工作时，会受各种因素限制，故而条件允许时，可选择带玻璃窗封闭房间进行温室大棚控制系统模拟，设置温度区间为18～29℃、湿度区间为70～90 RH，光照度区间为7 000～11 000 lx，记录频次为1 h/次；选择高精度工业温湿度测量仪、光照度测量仪测取封闭房间中的光照度、温湿度，与测量值进行对比分析，表1为控制系统实测数据、实际数据对比表。

2.5 结果分析

分析表1所示各项数据可以发现，温度、湿度、光照度误差值皆在传感器标准内，温度传感器、湿度传感器、光照度传感器在大棚相关参数超标时可及时发挥作用，这代表系统具备较高反应速度、测量精度，控制中心具备较好的应用效能，可满足温室大棚环境监测、控制所需。

3   结束语

文章就温室大棚环境自动监测与控制系统的设计对策展开了综合论述与分析，以上提出的设计流程具备较大的可行性、有效性，在实际落实过程中，只需结合温室大棚基本结构、应用需求等加以调整即可发挥其更大效能，为大棚作物稳定生长创造良好条件。

参考文献

[1] 亢娟娜．基于NB-IoT技术的温室大棚环境监控系统设计[J]．南方农机，2023，54（11）：67.

[2] 高贯磊，李长普，付帅帅，陈博文，张成梁．基于物联网的智能温室大棚控制系统设计[J]．山东工业技术，2023（2）：71-77.

[3] 张锐．基于物联网的大棚温室环境监测系统设计[J]．集成电路应用，2022，39（6）：100.

[4] 李国利，周创，牟福元．基于ESP32的温室大棚环境远程监控系统设计[J]．中国农机化学报，2022，43（3）：47-52.

[5] 罗卫艳，李峰，郭永刚．高原大棚环境监测和控制系统设计[J]．农业工程技术，2022，42（13）：44-47.

[6] 吴小峰，王艳红，李慧勇．基于LoRaWAN技术和ThingsBoard平台的智能温室大棚环境监测系统设计[J]．襄阳职业技术学院学报，2022，21（5）：74-78.

[7] 杨明，杨建国，宋杨，强承魁．基于物联网技术的温室大棚环境监测与控制系统模块化设计[J]．物联网技术，2021，11（1）：108-111，114.

作者简介：程丹丹（1989-），女，汉族，河南洛阳人，助教，硕士研究生，研究方向为新时代信息技术。