郭建軍 林麗君 陳紅斌 王克強(qiáng) 蔡肯

摘 要 溫濕度最能影響到作物的生長情況，但是只靠人的直觀感覺很難判斷溫濕度微小的變化，所以需要一個(gè)實(shí)時(shí)的“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測種植環(huán)境中的溫度和濕度。因此，建立一個(gè)基于STC89C52RC單片機(jī)，用溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)，通過藍(lán)牙模塊和報(bào)警系統(tǒng)把溫濕度和報(bào)警信息傳輸?shù)接脩?，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的效果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)，能適用于普遍的大棚環(huán)境監(jiān)測，利于操作和推廣。

關(guān)鍵詞 “互聯(lián)網(wǎng)+”;溫室大棚;STC89C52RC;溫濕度傳感器

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.29.086

目前，我國已經(jīng)走在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的道路上，在城市中已經(jīng)很難看到耕地。隨著耕地面積的減少，保持種植產(chǎn)量的平衡顯得至關(guān)重要，而溫室大棚就是一種可以保證作物產(chǎn)量和質(zhì)量的種植方式[1]。

種植業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化的進(jìn)程越來越快，而伴隨著高科技在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，溫室大棚技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前我國溫室大棚的應(yīng)用比例正在不斷加大，若沒有合適的監(jiān)測系統(tǒng)支持，種植業(yè)的發(fā)展將受到阻礙。當(dāng)面臨惡劣環(huán)境時(shí)，種植戶的經(jīng)濟(jì)效益將得不到保障。此外，人對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測不僅不準(zhǔn)確，且不能長期工作，這樣還增加了人工成本，也不利于種植質(zhì)量和規(guī)模的提升[2]。顯然，僅靠主觀的印象來判斷天氣的變化，并以此實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向自動(dòng)化、智能化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，就需要一個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)對作物生長環(huán)境中的溫濕度參數(shù)進(jìn)行精確地采集，然后加以比對和監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)種植業(yè)的自動(dòng)化、智能化管理，同時(shí)提高作物品質(zhì)和土地的利用率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及其功能設(shè)計(jì)

出于對系統(tǒng)成本、應(yīng)用環(huán)境、功能實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)整體性能等多方面的考慮，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制中心，通過程序設(shè)置系統(tǒng)閾值的初始值，用戶也可以通過板面上的機(jī)械按鍵或在手機(jī)APP上進(jìn)行閾值設(shè)置[3]。單片機(jī)通過DHT11進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣，直接獲取溫濕度的數(shù)字值，經(jīng)過處理后把數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏上，用戶可通過按鍵進(jìn)行翻頁操作，把LCD切換到設(shè)置頁面還可以設(shè)置環(huán)境參數(shù)閾值。報(bào)警系統(tǒng)由蜂鳴器和LED燈共同組成，每一個(gè)LED燈對應(yīng)一種報(bào)警情況。系統(tǒng)會(huì)將設(shè)置好的溫濕度閾值保存在單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM中，每一次上電或復(fù)位都會(huì)讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器恢復(fù)數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)整體方案選擇

環(huán)境因素的變化是影響作物生產(chǎn)的直接原因，其中最直接的影響就是溫度和濕度的變化。在一般情況下，環(huán)境中溫度變化范圍在0～45 ℃，其中微小的變化都需要進(jìn)行監(jiān)測。而大棚內(nèi)環(huán)境變化復(fù)雜，需要高精度、抗干擾能力強(qiáng)的傳感器，經(jīng)過環(huán)境因素和成本的考慮，決定采用DHT11作為系統(tǒng)的溫濕度傳感器。因?yàn)镈HT11傳感器能適應(yīng)大多數(shù)的使用環(huán)境，且精度高、誤差較低，完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。顯示界面的選擇有2種，數(shù)碼管顯示和LCD顯示。鑒于數(shù)碼管僅能顯示數(shù)字的缺點(diǎn)，系統(tǒng)采用顯示更加清晰、全面，資源占有更少的LCD屏。在MCU的選擇方面，秉持系統(tǒng)成本最低和可靠性、易操作的原則，采用了自帶內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的STC89C52單片機(jī)，此款單片機(jī)性能足夠在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)所需要的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 顯示模塊

LCD屏需要顯示的內(nèi)容主要分為2頁，通過按鍵可對頁面進(jìn)行切換，其內(nèi)容包括單片機(jī)與DHT11連接而采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)設(shè)置的溫濕度上下限。該系統(tǒng)在上電之后有一定時(shí)間的延時(shí)，等待系統(tǒng)初始化完成后可以獲取傳感器的數(shù)據(jù)，并顯示到屏幕上。程序必須先對顯示屏初始化再進(jìn)入從DHT11模塊中采集數(shù)據(jù)并顯示的主程序循環(huán)。顯示屏分兩行顯示，要準(zhǔn)確顯示出數(shù)據(jù)，因此編程時(shí)要確定對應(yīng)顯示的地址。

2.2 報(bào)警模塊

報(bào)警系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成：1）板面上的LED燈和蜂鳴器;2）手機(jī)app上的指示燈。而系統(tǒng)的報(bào)警值不能超過傳感器的測量范圍，因?yàn)檫@樣設(shè)置對系統(tǒng)是沒有意義的。每當(dāng)溫濕度超過設(shè)定的范圍時(shí)，蜂鳴器都會(huì)報(bào)警，而每一個(gè)LED燈都對應(yīng)一種超過閾值的情況。

2.3 按鍵模塊

監(jiān)測系統(tǒng)一共有4個(gè)按鍵，包含1個(gè)復(fù)位按鍵和3個(gè)設(shè)置功能按鍵。復(fù)位按鍵提供用戶手動(dòng)復(fù)位操作，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)可快速對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，此功能可以靠硬件實(shí)現(xiàn)，不需要程序支持。按鍵2是切換按鍵，其功能是顯示屏頁面的切換和溫濕度上下限選擇的切換。當(dāng)LCD屏處于顯示溫濕度狀態(tài)時(shí)，按下按鍵2可切換到設(shè)置頁面;當(dāng)LCD屏處于設(shè)置狀態(tài)時(shí)，按下按鍵2可切換至顯示屏光標(biāo)位置，連續(xù)按下4次按鍵則可返回顯示頁面，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存設(shè)置好的閾值。其余2個(gè)按鍵在第1頁顯示狀態(tài)下不起作用，當(dāng)處于設(shè)置溫濕度閾值頁面時(shí)，則可作為調(diào)整溫濕度上下限設(shè)置數(shù)值使用，按下按鍵3為光標(biāo)位置上數(shù)值加1，按鍵4為光標(biāo)位置上數(shù)值減1。

2.4 讀寫內(nèi)部EEPROM

監(jiān)測系統(tǒng)需要對溫濕度上下限的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取的操作，此時(shí)就要用到單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM實(shí)現(xiàn)此功能。此功能主要用于系統(tǒng)恢復(fù)掉電或是進(jìn)行復(fù)位操作前儲(chǔ)存好的數(shù)據(jù)。使用內(nèi)部EEPROM前需要打開ISP和IAP功能，配置相關(guān)的寄存器。對內(nèi)部EEPROM進(jìn)行讀寫操作時(shí)，需要先關(guān)閉全部中斷，以免在進(jìn)行讀寫操作時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，在操作完成后再把中斷打開。系統(tǒng)中通過按鍵設(shè)置閾值，設(shè)置成功后程序自動(dòng)完成對數(shù)據(jù)的保存操作。因此，要啟用ISP/IAP功能，就要對相關(guān)特殊功能寄存器進(jìn)行配置。

2.5 藍(lán)牙模塊通信

要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與手機(jī)移動(dòng)端通信，就需要遵循一定的傳輸規(guī)則。在通信方式上，程序上制定了一對一關(guān)系的協(xié)議規(guī)定，即每一個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)標(biāo)志位。其中標(biāo)志位表示數(shù)據(jù)包的種類，數(shù)據(jù)位是具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包類型主要有10種，分別是4個(gè)LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)，2個(gè)溫濕度具體數(shù)據(jù)和4個(gè)溫濕度上下限的數(shù)據(jù)。每一個(gè)數(shù)據(jù)包對應(yīng)一個(gè)標(biāo)志位，上位機(jī)根據(jù)標(biāo)志位識別傳輸數(shù)據(jù)的類型，然后準(zhǔn)確地處理傳輸過來的數(shù)據(jù)。在下位機(jī)也是以同樣的道理解析從手機(jī)app接收到的數(shù)據(jù)，但是對接收到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過判斷才能完成對系統(tǒng)的設(shè)置，而不是全盤接收。例如上位機(jī)在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)到下位機(jī)前，需要發(fā)送一個(gè)請求位，保證數(shù)據(jù)傳輸是正確的，且設(shè)置數(shù)值的上限值不能低于下限值，因?yàn)檫@樣做是沒有意義的。在本設(shè)計(jì)中，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)都要用到指定的寄存器SBUF，在用于發(fā)送時(shí)，只能寫不能讀;用于接收時(shí)，只能讀不能寫。為了避免數(shù)據(jù)位與標(biāo)志位相同造成錯(cuò)誤的判斷，不管是在發(fā)送還是接收，數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行字符到數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TI數(shù)據(jù)位為1，當(dāng)發(fā)送完成后對TI進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)接受數(shù)據(jù)時(shí)，RI數(shù)據(jù)位為1，進(jìn)入中斷后數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在SBUF中，接受數(shù)據(jù)后RI位復(fù)位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序編寫使用Keil uVision 4作為開發(fā)環(huán)境，采用C語言編寫。在編譯完程序文件之后，把生成的.hex文件燒錄到單片機(jī)中。使用該軟件時(shí)設(shè)置單片機(jī)型號，并選擇對應(yīng)的COM端口，然后執(zhí)行Download操作即可。本系統(tǒng)用到的功能模塊有顯示模塊LCD1602、溫濕度傳感器DHT11、藍(lán)牙模塊HC-05;輔助器件有LED燈、按鍵和蜂鳴器。程序主要實(shí)現(xiàn)的功能有單片機(jī)獲取溫濕度傳感器DHT11數(shù)據(jù);LCD屏顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù)和設(shè)置好的閾值;通過按鍵設(shè)置系統(tǒng)閾值;系統(tǒng)軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)，溫濕度超出閾值系統(tǒng)蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警;藍(lán)牙模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)程序解析、處理數(shù)據(jù);對內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)。

4 結(jié)論

近年來互聯(lián)網(wǎng)、微型處理器和傳感器技術(shù)等以驚人的速度發(fā)展，他們以廉價(jià)的制造成本和可靠的數(shù)據(jù)得以快速推廣應(yīng)用，在種植業(yè)擁有自己的一席之地。本研究將單片機(jī)STC89C52RC應(yīng)用于“互聯(lián)網(wǎng)+”的溫室大棚中，同時(shí)結(jié)合傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)對大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測?？梢愿鶕?jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和農(nóng)作物的生長需求，有效調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境條件，使溫濕度控制在理想的范圍內(nèi)，從而提高產(chǎn)量和質(zhì)量。本系統(tǒng)可在手機(jī)移動(dòng)端上實(shí)時(shí)獲取到數(shù)據(jù)并且設(shè)置閾值，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有操作簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張偉濱.基于Zigbee溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].大慶：東北石油大學(xué)，2014.

[2] 楊飛，謝濤，伍英，等.基于WIFI的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2017，

25（2）：50-53.

[3] 張鑫，樊帥.基于安卓平臺(tái)的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（18）：2.

（責(zé)任編輯：趙中正）