馬紅偉　趙　娟

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一種智能農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬紅偉趙娟

（荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院 湖北荊門 448000）

物聯(lián)網(wǎng)模式下智能農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)大棚是智能農(nóng)業(yè)的一個(gè)突出表現(xiàn)，而溫濕度的測(cè)量系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)的主要指標(biāo)。文章所設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)大棚溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)是基于單片機(jī)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，可以有效的對(duì)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行環(huán)境參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、自動(dòng)的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過傳感器對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并把采集到的數(shù)據(jù)傳送到控制中心，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后經(jīng)LCD顯示出來，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，即溫濕度過高或過低自動(dòng)報(bào)警。

智能農(nóng)業(yè)大棚；溫濕度檢測(cè)；單片機(jī)；傳感器

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)模式主要是人為檢測(cè)，需要24 h人工輪流值班，值班人員通過不斷查看、記錄、測(cè)量等記錄溫度數(shù)據(jù)，不僅效率低下而且也不利于人員的充分利用，耗費(fèi)人力物力，甚至產(chǎn)生重大事故，人工維護(hù)也缺乏完整的管理系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，農(nóng)業(yè)智能化程度不斷加大，溫室大棚在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，其主要功能主要體現(xiàn)在先進(jìn)的技術(shù)和現(xiàn)代化的設(shè)備，自動(dòng)檢測(cè)溫濕度變化，人為的控制農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，使農(nóng)作物受地域和氣候等條件的影響，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的常年工廠化和高產(chǎn)值，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高效性和高效率。本文所設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)大棚溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要是利用溫濕度傳感器去感應(yīng)大棚環(huán)境的溫濕度變化數(shù)據(jù)，然后通過單片機(jī)判斷感應(yīng)到的溫濕度是否異常，若溫濕度異常則立即采取調(diào)節(jié)措施，若時(shí)間異常則輸出報(bào)警信號(hào)，異常處理完畢解除報(bào)警。

1 智能農(nóng)業(yè)大棚溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要通過溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊、報(bào)警模塊、LCD顯示模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊和按鍵模塊幾部分組成。在系統(tǒng)控制部分采用單片機(jī)AT89 C52 芯片，主要是處理采集到的數(shù)據(jù)，并通過處理的數(shù)據(jù)對(duì)其他各個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制。通過DHT11 傳感器芯片對(duì)大棚內(nèi)部環(huán)境的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。顯示模塊采用1602 液晶屏報(bào)警模塊采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，具體顯示內(nèi)容及方式由軟件來完成。是一種智能、快捷、方便的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，功耗較低，抗干擾能力強(qiáng)、總體性能比較好，能很好的滿足工農(nóng)業(yè)工藝要求。

總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1　 總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括LCD液晶顯示電路、報(bào)警電路、控制電路、顯示電路、按鍵電路和溫濕度檢測(cè)電路。系統(tǒng)運(yùn)行后溫濕度傳感器芯片DHT11 首先自動(dòng)的對(duì)該智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部環(huán)境的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并把采集到的數(shù)據(jù)通過片機(jī)的P2.0口傳給單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，該系統(tǒng)采用的DHT11 是一個(gè)數(shù)字一體性的傳感器芯片，具有高度的集成化，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)AT89 C52 是整個(gè)系統(tǒng)的主控中心，控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，通過單片機(jī)的各個(gè)監(jiān)控去控制該系統(tǒng)的其他電路，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、處理和存儲(chǔ)，使得構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)模塊的功能連接起來形成特定的功能，構(gòu)成一個(gè)有效的整體電路。系統(tǒng)報(bào)警部分主要是通過蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)的，通過單片機(jī)的接口連接蜂鳴器，溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過了原本設(shè)定好上限值或者下限值的時(shí)候，單片機(jī)就會(huì)采取相應(yīng)的處理，并把處理的數(shù)據(jù)通過接口傳給報(bào)警電路，此時(shí)蜂鳴器開始進(jìn)行報(bào)警?？刂浦行耐ㄟ^對(duì)溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)讀取、處理和分析后，將處理后的數(shù)據(jù)直接通過相應(yīng)的接口發(fā)送到LCD顯示芯片1602 上去進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。該系統(tǒng)的顯示電路除了顯示處理后的數(shù)據(jù)之外，還可以進(jìn)行時(shí)鐘和日期的顯示，是一種 工業(yè)常用的字符顯示行液晶顯示器。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍，操作簡(jiǎn)單且可靠，而且較傳統(tǒng)顯示器輕便。

3 智能農(nóng)業(yè)大棚溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，故需要設(shè)定程序來實(shí)現(xiàn)控制核心的功能，利用單片機(jī)的不同接口來實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的數(shù)據(jù)的識(shí)別、處理和傳輸，在進(jìn)行該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候首先建立系統(tǒng)主流程圖，然后再根據(jù)硬件模塊進(jìn)行相應(yīng)模塊流程的劃分，并對(duì)各個(gè)劃分后的模塊進(jìn)行流程圖的設(shè)計(jì)。流程圖建立后，根據(jù)流程圖的需要進(jìn)行相應(yīng)的程序編寫，讓各個(gè)模塊的功能得以實(shí)現(xiàn)，最后把各個(gè)子模塊進(jìn)行有效的合理的連接起來實(shí)現(xiàn)主程序，最終通過軟件在硬件中的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)采用KeilC51 進(jìn)行編程，在實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行的時(shí)候首先對(duì)程序進(jìn)行初始化，然后把傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過指令傳給單片機(jī)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。在控制中心將處理的數(shù)據(jù)送給顯示模塊進(jìn)行顯示的時(shí)候，顯示模塊首先確認(rèn)相應(yīng)的模塊標(biāo)志，若指令標(biāo)志為高電平表示忙，該指令無法執(zhí)行；若指令標(biāo)志為低電平表示不忙，該指令可執(zhí)行；在現(xiàn)實(shí)字符時(shí)首先要顯示字符地址，用以明確字符來源。溫濕度模塊DH11 為數(shù)字溫濕傳感器，上電后有1 s的延遲，延遲后保持高電平，自動(dòng)檢測(cè)大棚內(nèi)的溫濕度，經(jīng)過一定的時(shí)間延遲后以低電平的形式把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息傳遞給單片機(jī)控制中心。系統(tǒng)主流程圖如圖2所示。

圖2　 系統(tǒng)主流程圖

4 系統(tǒng)仿真測(cè)試

本次設(shè)計(jì)采用Protues軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。首先在Protues軟件內(nèi)繪制仿真電路，然后通過對(duì)仿真電路進(jìn)行測(cè)試，觀察仿真電路運(yùn)行結(jié)果，若結(jié)果理想則表明電路設(shè)計(jì)合理，若結(jié)果不理想適當(dāng)修改電路，直到得到理想的結(jié)果為止。在仿真過程中應(yīng)設(shè)定好環(huán)境溫度濕度的預(yù)定值，當(dāng)環(huán)境的溫度和濕度超過傳感器預(yù)設(shè)值時(shí)蜂鳴器就會(huì)報(bào)警。系統(tǒng)仿真電路如圖3所示。

圖3　 系統(tǒng)仿真電路圖

原理圖中上部分是液晶顯示器和液晶顯示模塊電路，右邊是報(bào)警電路。中間是AT89 C52 單片機(jī)，左邊連接的是時(shí)鐘電路，右邊是設(shè)置電路。下部分是按鍵電路和AD轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)中溫度傳感電路和濕度傳感電路會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度，然后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)與預(yù)定值做比較，當(dāng)反饋的數(shù)值超過預(yù)定值，聲光報(bào)警電路就會(huì)發(fā)出警報(bào)。在仿真中，由于仿真原件中沒有DHT11 傳感器，故只能用DS18 B20 溫度傳感器替換，我們給定一個(gè)溫度的數(shù)值在數(shù)碼管上顯示出來，數(shù)碼顯示管顯示的是10 ~30 ℃，代表的是檢測(cè)到當(dāng)前溫度為15.5 ℃。這時(shí)的數(shù)值在正常范圍，在預(yù)設(shè)值之內(nèi)，聲光報(bào)警電路就不會(huì)發(fā)出警報(bào)。

在仿真電路的調(diào)試過程中，有些部分程序運(yùn)行的結(jié)果總是達(dá)不到預(yù)期的效果，溫濕度的修正還存在著一些問題，導(dǎo)致檢測(cè)出來的溫濕度與實(shí)際的存在著誤差，通過設(shè)定參數(shù)和更換基本元器件后系統(tǒng)功能運(yùn)行正常，表明該系統(tǒng)能夠滿足農(nóng)業(yè)大棚溫濕度檢測(cè)功能的需要。

[1]孫國輝.智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[D].黑龍江大學(xué),2016.

[2]譚杰,張富春,張水利,基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大棚智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2018,26(4):38-42.

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[4]李萌,鄧琛,王昌志.智能農(nóng)業(yè)大棚無線監(jiān)測(cè)與管控的平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015,15(11):69-72.

10.3969/j.issn.2095-1205.2019.04.16

省教育廳計(jì)劃項(xiàng)目《荊門市農(nóng)谷信息化監(jiān)控技術(shù)需求與頂層方案設(shè)計(jì)》（B2018241）。

馬紅偉(1994- )，男，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；趙娟(1979- )，女，碩士，副教授，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

S625.3

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2095-1205(2019)04-29-02