李秋立　梁兵兵　李皖　李守曉

摘 要：為解決傳統(tǒng)溫室大棚智能化水平不足、經(jīng)濟效益低下等問題，設(shè)計了一套由微控制板和組態(tài)軟件組成的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將Arduino控制板作為下位機，其由傳感器、傳輸模塊和繼電器模塊組成，可實現(xiàn)對大棚內(nèi)各項環(huán)境因素的實時監(jiān)測、有效傳輸與調(diào)控。將PC機作為上位機，利用組態(tài)王6.55組態(tài)軟件設(shè)計人機交互組態(tài)界面，接收下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并顯示實時數(shù)據(jù)和變化曲線，同時將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合軟件自帶報警控件，發(fā)送指令至下位機，對棚內(nèi)環(huán)境進行調(diào)控。實驗表明，該系統(tǒng)可以很好地完成監(jiān)測調(diào)控功能，使棚內(nèi)各項環(huán)境因素能夠保持在合適范圍內(nèi)，一定程度上提高溫室大棚的自動化水平和農(nóng)作物產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：智能大棚;傳感器;Arduino;組態(tài)王6.55;數(shù)據(jù)庫;MAX485

中圖分類號：TP39;S24文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

傳統(tǒng)溫室大棚內(nèi)的空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度等均為人工測量或憑經(jīng)驗判斷，存在低效且測量不準確的問題。同時，對于棚內(nèi)作物生長因素的調(diào)控是由人工進入現(xiàn)場操作，調(diào)控程度缺少統(tǒng)一標準。另一方面，雖然當下智能大棚發(fā)展迅速，已經(jīng)有多種類型的大棚監(jiān)控系統(tǒng)，但大多成本較高，不易推廣。為提高大棚的自動化水平[1]，實現(xiàn)增產(chǎn)增收，研發(fā)了一種由上位機、下位機和傳感器組成的可實時采集、直觀顯示與調(diào)控的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，使用傳感器監(jiān)測大棚內(nèi)部各項環(huán)境因素。下位機控制傳感器和繼電器工作，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，接收上位機發(fā)送的控制指令。上位機接收數(shù)據(jù)，進行顯示、報警、發(fā)送控制指令、數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫等操作，管理者足不出戶就可以查看大棚內(nèi)的情況，對大棚進行管理。這套系統(tǒng)成本相對較低，易于使用與維護[2]。

1 智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示。底層數(shù)據(jù)采集由DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器和土壤濕度傳感器實現(xiàn)，組成了系統(tǒng)的感知層，將實時監(jiān)測大棚內(nèi)的溫濕度、光強和土壤濕度。傳感器與Arduino從機組成采集模塊，由從機獲取數(shù)據(jù)并通過MAX485模塊將數(shù)據(jù)傳送至主機。Arduino主機與PC機相連，組態(tài)王通過PC機上的串口與主機進行串口通信，獲取采集的數(shù)據(jù)，在組態(tài)王軟件中通過一系列函數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)進行綜合處理，使其能在組態(tài)王界面上顯示與操作，并根據(jù)科學(xué)實驗設(shè)定各變量的報警值。當環(huán)境因素不在合理范圍內(nèi)時，發(fā)送指令至從機，對繼電器進行控制，打開或關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備[3]。同時，該系統(tǒng)實現(xiàn)了組態(tài)王6.55與Access數(shù)據(jù)庫連通，可將數(shù)據(jù)以自動或手動方式存入數(shù)據(jù)庫，之后可隨時從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出進行分析利用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊以Arduino Mega256為核心控制板，它是基于Atmega2560處理器的微控制板，有54路數(shù)字輸入/輸出端，16路模擬輸入端，4路UART接口，256 KB的FLASH，

8 KB的SRAM，一個16 MHz的晶振器，一個ICSP Header，只需簡單地配合USB數(shù)據(jù)線連接電腦或者交直流變壓器即可使用[4]。

2.2 傳感器檢測模塊

（1）采用DHT11溫濕度傳感器采集棚內(nèi)空氣溫濕度，具有成本低、相對濕度和溫度一體測量、響應(yīng)快、抗干擾能力強、信號傳輸距離長、數(shù)字信號輸出、精確校準等特點，其濕度測量范圍為20%RH～95%RH，溫度測量范圍為0～50 ℃，

基本滿足大棚內(nèi)溫濕度測量要求。該傳感器包括1個電容式感濕元件和1個NTC測溫元件，可與Arduino微處理器實現(xiàn)單總線雙向串行傳輸[5]。

（2）采用G5516光敏電阻傳感器采集棚內(nèi)的光強。G5516采用比較器輸出，信號干凈，波形好，驅(qū)動能力強，電流超過15 mA。工作電壓為3.3～5 V，有兩種輸出形式：DO數(shù)字開關(guān)量輸出（0和1）和AO模擬電壓輸出，模擬電壓輸出的數(shù)值范圍為0～1 023。

（3）YL69土壤濕度傳感器實現(xiàn)采集土壤濕度功能，比較器采用LM393芯片，工作電壓為3.3～5 V，較穩(wěn)定，具有數(shù)字和模擬兩種輸出形式。該傳感器兩極采用銅箔，表面鍍鎳防止生銹，以提升導(dǎo)電性能并延長傳感器壽命[6]。

2.3 傳輸模塊

（1）Arduino模塊與PC機之間的通信通過USB數(shù)據(jù)線實現(xiàn)，USB數(shù)據(jù)線為Arduino模塊提供了一個虛擬串口，使其可與PC機進行串口通信，需要注意的是Arduino控制板中的數(shù)據(jù)以串行傳輸?shù)姆绞絺魉椭岭娔X，可以大幅降低信息傳輸?shù)某鲥e率。

（2）從機和主機之間采用MAX485模塊實現(xiàn)RS 485串行通信，用于主從機之間相互傳送信息。RS 485傳輸?shù)膬?yōu)點是使兩設(shè)備可以進行長距離、高速率數(shù)據(jù)傳輸，同時避免受到噪聲干擾。

2.4 執(zhí)行器控制模塊

輸出控制模塊主要由繼電器、加熱板、風(fēng)扇、補光燈和水泵組成，將這些執(zhí)行器與繼電器上的NO（常開）和COM（公共端）相連，當繼電器收到Arduino控制板發(fā)來的置高電平命令后，NO端閉合，相應(yīng)執(zhí)行器工作[7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Arduino下位機程序設(shè)計

Arduino下位機進行溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及接收組態(tài)王發(fā)送的指令，控制相關(guān)執(zhí)行器開閉。數(shù)據(jù)采集部分通過程序讀取所測空氣溫濕度、光強以及土壤濕度，由于測得的光強和土壤濕度均為模擬電壓值，所以需通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⒛M電壓值轉(zhuǎn)換成百分比形式，然后與空氣溫濕度共同輸出到串口。同時還需讀取組態(tài)王發(fā)送到串口的字符并判斷，令相應(yīng)繼電器工作[8]。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示，數(shù)據(jù)采集部分程序如圖3所示。

3.2 基于組態(tài)王的上位機組態(tài)界面設(shè)計