石戈戈

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040)

0 引言

溫室因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、栽培等領(lǐng)域皆有廣泛的應(yīng)用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的快速發(fā)展，溫室也由原來(lái)簡(jiǎn)易的大棚逐漸向可自動(dòng)保溫調(diào)濕的智能溫室轉(zhuǎn)變。眾所周知，濕度對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)有著重要影響，如存儲(chǔ)、育苗、發(fā)酵等過(guò)程均對(duì)環(huán)境濕度有相應(yīng)要求[1]。針對(duì)濕度的實(shí)時(shí)控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Atmega16單片機(jī)的實(shí)時(shí)溫室濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠濕度傳感器將溫室實(shí)時(shí)濕度準(zhǔn)確快速地采集并傳輸至單片機(jī)中，經(jīng)單片機(jī)處理并由液晶模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，與此同時(shí)無(wú)線傳輸模塊會(huì)將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。為了將環(huán)境濕度控制在生產(chǎn)所需的濕度范圍內(nèi)，可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)置濕度閾值，單片機(jī)則將濕度傳感器采集到的實(shí)時(shí)濕度與所設(shè)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)環(huán)境濕度超出所設(shè)閾值時(shí)，單片機(jī)則發(fā)出指令，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)裝置控制噴灑終端電磁閥的開合和排氣扇的通、斷以達(dá)到濕度控制的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

溫室濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包含硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分[2]，主要由以下模塊組成：AM/2301濕度采集模塊、Atmega16單片機(jī)主控模塊、液晶顯示模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行模塊、上位機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

濕度采集傳感器負(fù)責(zé)將溫室實(shí)時(shí)濕度采集并將其傳輸至主控單片機(jī)中，在此采用AM/2301電感式數(shù)字濕度傳感器，該傳感器內(nèi)部包含A/D轉(zhuǎn)換電路，直接輸出數(shù)字信號(hào)，與此同時(shí)該傳感器擁有良好的抗干擾性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性及較低的功耗。與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸則采用的是單線制串行接口，封裝方式為4針單排引腳封裝，使用簡(jiǎn)潔方便。主控芯片采用的是各項(xiàng)性能指標(biāo)均較高的8位Atmega16單片機(jī)，該芯片具有豐富的指令集，全靜態(tài)工作方式使數(shù)據(jù)更不容易丟失，同時(shí)具有數(shù)據(jù)吞吐率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可以在各種嚴(yán)苛環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。液晶顯示模塊選用常用的低功耗LCD1602液晶即可[3-4]。遠(yuǎn)程通信采用無(wú)線收發(fā)芯片CC2500PA，由于其功能強(qiáng)大，因此在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域均得到了較為廣泛的應(yīng)用。該無(wú)線通信芯片可在2400MHz～2483.5MHz的頻率范圍內(nèi)可靠運(yùn)行，收發(fā)數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)500kbps、空曠環(huán)境下通訊距離能達(dá)到1500m左右。驅(qū)動(dòng)模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊按照控制信號(hào)動(dòng)作。執(zhí)行模塊主要由噴灑加濕裝置、排氣扇等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)最終的濕度調(diào)節(jié)功能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

相對(duì)于系統(tǒng)硬件的搭建，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)更具有靈活性，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響著整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)其既定功能。軟件設(shè)計(jì)主要包含以下3個(gè)部分：(1)濕度采集模塊設(shè)計(jì)，主要完成AM/2301初始化和濕度數(shù)據(jù)的采集和處理工作；(2)數(shù)據(jù)無(wú)線收、發(fā)傳輸模塊設(shè)計(jì)，主要完成的功能是對(duì)無(wú)線收發(fā)芯片CC2500PA3的配置；(3)上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)，主要完成上位機(jī)界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的收、發(fā)以及通信接口配置。

本系統(tǒng)的運(yùn)行流程首先是完成初始化，使各個(gè)子模塊準(zhǔn)備好開始收發(fā)、處理數(shù)據(jù)，并通過(guò)上位機(jī)設(shè)置所需要的濕度閾值上、下限，該值可在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中隨時(shí)通過(guò)中斷程序調(diào)整。然后采用調(diào)用子程序的方式將AM/2301溫度傳感器采集到濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)用到主程序進(jìn)行對(duì)比判斷。當(dāng)溫室濕度低于所設(shè)閾值下限時(shí)，通過(guò)繼電器控制噴灑裝置的電磁閥來(lái)進(jìn)行噴灑加濕，直到采集濕度大于等于閾值上、下限中間值時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊關(guān)閉噴灑裝置的電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)停止加濕。當(dāng)采集到的濕度高于所設(shè)閾值上限時(shí)則打開排氣扇排濕，直到采集濕度小于等于閾值上、下限中間值時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊關(guān)閉排氣扇來(lái)實(shí)現(xiàn)停止排濕，最終使溫室濕度控制在所設(shè)閾值范圍之內(nèi)。為了防止不可控因素造成的調(diào)控失靈，本系統(tǒng)加入了一個(gè)失調(diào)報(bào)警模塊，當(dāng)環(huán)境濕度超出生產(chǎn)所需濕度一定范圍時(shí)，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。具體運(yùn)行流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

系統(tǒng)軟、硬件搭建完成后，為了驗(yàn)證其可行性，本文對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。由仿真結(jié)果如圖3所示，可以看到溫室實(shí)時(shí)濕度一直維持在控制濕度之內(nèi)，由此可也看出本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以對(duì)濕度進(jìn)行有效的監(jiān)控。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于Atmega16單片機(jī)的溫室濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，以濕度傳感器、繼電器、無(wú)線傳輸裝置等為支撐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，確保其保持在所需要的濕度范圍內(nèi)。相對(duì)人工調(diào)節(jié)的方法，該系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)精度高、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和前景。