科技创新与应用
Technology Innovation and Application众创空间2021年13期
温室大棚环境自动监测与控制系统的设计*
唐锴豪1，冯粤松2，于凤梅1*，王克强1，郭建军1
（1.仲恺农业工程学院，广东广州510225；2.广东广信通信服务有限公司，广东广州510005）
农业关系着国计民生，我国用不足世界7%的耕地供养着世界约22%的人口[1]，社会的稳定发展与农业密切相关。温室大棚在现代化农业中的作用十分重要，不仅因为我国的人口众多，蔬菜水果的需求量大；还因为随着生活品质的提升，人们对于高品质蔬菜水果的需求不断增加。种植者通过调整温室内的环境因素，可以使大棚内的农作物处于一个最佳的生存环境，这样不仅仅能提高农作物本身的品质和品相，还可以提高植物的产量，从而使种植者获得较高的利润。
随着科学技术的不断进步，温室的环境控制模式也在不断完善，从传统农业向现代农业转变，逐步向大规模工业化、模块化和多样化发展。虽然我国温室规模很大，但配备智能监控系统的温室不广泛[2-3]。在智能温室工业的发展中，有些发达国家的智能程度较高[4-6]，温室的温度、湿度、光照强度和肥料都达到了智能控制，他们还将计算机结合到农业种植中。智能化的温室可以采用机械化技术，实现温室的
自我调节和运行。
从20世纪80年代开始，中国致力于将温室技术与计算机技术相互融合，并将其用于推动农业的发展，并取得很多较好的成果[7-13]。相对于发达国家，我国在智能温室方面还不够成熟，控制的因素也相对单一。植物生长的诸多环境因素不能同时得到同步控制，而且条件相对简单的温室大棚控制环境因素时，还需要人工的配合，并不能实现自动报警与控制。面积比较大的温室大棚需要耗费的人力也比较多。结合以上问题，本文设计了一种能够对温室大棚内的温湿度、光照度进行自动控制的系统，本系统具备时效快、成本低的特点。
1自动控制系统的整体架构设计
系统整体设计为温度、湿度、光照的测量和控制的系统。其由单片最小系统、温湿度传感器DHT11、光照度传感器GY-30、按键模块、控制器模块、LCD液晶显示模块、声光报警模块和电源模块组成。自动控制系统的整体
摘要：传统温室大棚自动化程度水平低，人工作业量大，对农作物生长环境的控制精度不高。针对上述问题，设计了以STC89C52单片机为核心控制的温室大棚环境自动化监测与控制系统。本系统通过传感器采集数据、单片机处理可以对温室大棚温度、湿度、光照度进行实时监测，同时根据植物生长环境的需要自动启动或关闭升温、降温、加湿、抽湿、补光、遮光装置，调节温室环境。该自动化控制系统对
温室的环境控制精度比较高，能够为植物的生长提供适宜的环境，具有较高的经济效益。
关键词：温室大棚；单片机；自动控制；环境
中图分类号:TP273文献标志码:A文章编号:2095-2945(2021)13-0037-05
Abstract:Due to low degree of automatization of traditional greenhouse and the large amount of manual work,there is low precision of controlling the growth environment of crops.In view of the these problems,an automatic control system of greenhouse shed environment based on STC89C52is designed.The real-time monitoring of greenhouse temperature,humidity and light intensity could be realized through sensor data collection and single-chip microcomputer processing by the system.At the same time,according to the needs of plant growth environment,the heating,cooling,humidification,dehumidification,light supplement and shading devices could automatically be started up or shut down to adjust the greenhouse environment.The automatic control system for greenhouse shed environment is high precision,and it can provide a good natural environment for the growth of plants,with a high economic efficiency.
Keywords:greenhouse;single-chip microcomputer;automatic control;environment
*基金项目:2017年国家级大学生创新创业训练计划项目(编号:201711347001)；教育部产学合作协同育人项目(编号:201802048037、2018022 99045、201901096025)；广东省自然科学基金项目(编号:2016A030310234)；广东省本科高校创新创业项目(编号:2018A022758);2018年广东省大学生创新创业训练计划项目(编号:201811347049)
2021年13期
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
众创空间
架构设计框图如图1所示。
图1自动控制系统的整体架构设计框图
系统以STC89C52为核心组成，而温湿度、光照度传感器负责把采集到的物理信号转化为电信号，然后单片机将会处理各个传感器传来的信号，并且把其转化为输出信号，再发送给显示屏。该系统具有自动调节温室环境的功能，系统运行的过程中，当检测到某个数据不在设定值范围内时，相对应的警报灯会被点亮，蜂鸣器发出响声，控制器的继电器会自动吸合，继电器所对应的控制设备会启动工作。如光照超过了最大值，则报警发生后，对应的遮光装置将会启动。2自动控制系统硬件设计
本系统基于STC89C52单片机、DHT11温湿度传感
器和GY-30光照度传感器等硬件来完成温室大棚环境的温湿度、光照度的自动控制。2.1STC89C52单片机
STC89C52单片机拥有低功耗、
高性能CMOS 8位微控制器，具有8k 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容[14]。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash ，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、
有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k 字节Flash ，256字节RAM ，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。空闲模式下，
CPU 停止工作，允许RAM 、定时器/计数器、串口、中断继续工作。STC89C52单片机的电路图如图2所示。
2.2温湿度传感器DHT11
DHT11是一种复合温湿度传感器，其特点是可以对
数字信号进行校准，而且该传感器中包含的模块使用起
来方便、可靠和稳定。更重要的是otp 内存中包含一个校准系数程序，该程序可以在检测环境的温湿度时候被调用，采用单线串行接口。并且该传感器体积小，功率低，适合长时间使用，其信号传输距离超过20m ，因此其可以应对很多情景进行工作。温湿度传感器DHT11的接线图如图3所示。
图3温湿度传感器DHT11的接线图
圆.3光照度传感器
本系统采用GY-30光照度传感器，其内置BH1750FVI
芯片，工作电压为3~5V ，可测量的光照范围为0-65535LX
（Luminous flux ）。其内置16bit 的AD 转换模块，可直接输
出读数，且其精度可精确到1LX [15]，较好地满足本系统的设计要求。光照度传感器的接线图如图4所示。
图4光照度传感器的接线图
2.4LCD 显示屏
本系统采用LCD1602液晶显示屏，液晶显示器每一
个点在收到信号后会一直保持那种彩和亮度，恒定发光，因此其画质高且不会闪烁。LCD 液晶显示器为数字式，与单片机系统的接口操作方便。LCD 显示屏通过
显示
图2STC89C52单片机的电路
图
科技创新与应用
Technology Innovation and Application众创空间2021年13期
屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，其功
耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，故其耗电量
少。LCD显示屏的接线图如图5所示。
图5LCD显示屏的接线图
3自动控制系统软件设计
本系统的监测部分由温湿度传感器模块、光照度传感
器模块、STC89C52单片机、LCD显示模块组成。首先由温湿度传感器和光照度传感器将温室大棚内的环境数据进行采集，然后将信号传输到STC89C52单片机进行处理，最后由单片机将处理好的数据传输到LCD显示屏上。
系统的自动控制部分主要由按键模块、STC89C52单片机、声光报警器模块、控制器模块组成。当单片机接收到传感器的数据后，通过对数据进行判断，如果数据在所设定的数值范围内，则只将数据发送到
LCD显示屏上，完成实时监测。如果数据不在所设定的阈值范围内，单片机不仅会将数据发送到LCD显示屏上，还会启动声光报警模块进行警报，同时相对应的继电器将吸合，对应的控制装置启动工作。此后温湿度、光照度传感器模块会继续对环境数据再次检测，当检测到的实时数据在设定的上下限内后，将关闭控制装置。如检测到温室大棚湿度过高，则控制抽湿装置继电器吸合，抽湿装置开始抽湿工作，直至系统检测到的湿度数据在设定数值范围时，抽湿机结束工作。温室大棚自动控制系统程序框图如图6所示。
温室大棚自动监控系统软件设计的方法主要使用模块化编程设计。对中央处理器、每个采集检测模块的功能进行软件的逻辑设计与程序编写，编写完成后，将各个模块组合到一起，再进行组合调整与测试。模块化设计程序有利于解决后续检查、维修与调试中出现的问题，哪个模块出现问题就可以从该模块入手调试解决。
温室大棚环境自动控制系统的软件使用C语言在KeiluVision4软件环境进行编写。图6为软件设计程序流程图，首先，初始化主程序的系统硬件与系统软件，保证设备能够正常运行；其次，校准中央处理器时间，确保系统时间与外界保持统一；接下来采集设备进行预热延时，保证运行时采集数据尽量少出现误差；采集模块将环境数据传送至中央处理器，中央处理器判断环境数据是否在阈值内，如果符合，则继续保持状态；如果不符合，系统开启控制装置调节环境参数，直至符合为止。
4自动控制系统应用试验测试
4.1试验测试目的
系统测试是系统设计的重要环节，做好系统测试有助于完善系统功能，为下一步工作提供参考和帮助。4.2具体试验方法
由于时间和成本问题，在系统调试中，检验控制装置的执行功能时，选择与STC89C52单片机连接好的小风扇、指示灯和不同的马达代表相应的控制装置。单片机
上图6温室大棚自动控制系统程序框
图
小风扇启动和小灯亮分别表示降温装置和加热装置启
动；两个颜不同马达分别表示抽湿器和加湿器；另外两
个马达分别代表遮光装置和补光装置。如当温度过高时，
小风扇转动模拟对应降温装置工作；湿度低于设定值时，
对应马达启动模拟加湿机工作；当光照高于设定值时，对
应的马达启动模拟遮光处理。
由于实际条件的限制，在系统数据测试时，选择一间
有玻璃窗的封闭房间用于模拟温室大棚来测试系统的稳
定性与准确性。设置系统温度范围为18~29℃，湿度范围
为70~90RH，光照度范围为7000~11000LX，每一小时记
录一次数据。同时使用泰克曼公司生产的TM820M工业
温湿度计和高精度手持工业级光照度测试仪testo540来
分别测得此封闭房间的实际温湿度和光照度作为试验准
确数据即实际数值，这些实际数值用于与测量值进行比
较。TM820M温度误差为±1.5℃，湿度误差为±3%；testo540光照度误差为±3%。表1为8点到18点每隔一小时的封闭房间的监控系统监控数据。表1列出了本系
统测试的温湿度和光照度的数据、误差及控制器的工作
情况。其中斜体数据为超出设定范围数据，最后一列为控
制器是否启动。
4.3试验结果分析
实验数据显示误差均在选型的传感器要求之内，本
系统使用的温度传感器的误差为±2℃，湿度误差为±5% RH、光照度误差为±3%。测试结果表明本系统的测量精度比较高，显示与控制部分比较正常，实际应用功能基本达到要求。
5结束语
本系统通过软件编程驱动单片机，利用单片机处理
各个传感器采集的信号，输出环境参数，同时中央处理器
判断各数据是否在设定值的范围内，如果超出设定值范围，系统则会启动声光报警和相应的控制装置工作，调节温室环境参数，直至达到设定值范围内，系统关闭控制装置，实现对温室大棚环境的自动控制。本系统基于单片机实现了温室大棚环境的自动监测与控制，系统成本低，使用方便，控制精度比较高，可以减少大棚的管理人数，具有较高的经济效益。
参考文献:
[1]代国勇.基于STM32单片机温室大棚环境的智能控制系统设计及实现[D].石家庄：石家庄铁道大学，2017.
[2]何国荣.基于单片机的温室大棚自动卷帘控制器设计[J].信息技术，2016（1）：96-99.
[3]方辉，程权成.基于单片机的蔬菜大棚智能控制系统设计[J].电子设计工程，2015（7）：1-3.
[4]姚亮，马俊贵.设施农业传感器智能化控制研究现状及展望[J].河北农机，2015（3）：17-19.
[5]赵春江，李瑾，冯献，等.“互联网+”现代农业国内外应用现状与发展趋势[J].中国工程科学，2018（2）：50-56.
[6]孔繁涛，朱孟帅，韩书庆，等.国内外农业信息化比较研究[J].世界农业，2016（10）：10-18.
[7]周臻，王尚宇，侯志恒，等.观赏性植物培育、监控系统的设计[J].科技创新与应用，2019（15）：29-30.
[8]曾令培.智能温室大棚系统的设计[D].成都：西南交通大学，2015.
[9]满达.基于STM32单片机的温室大棚监控系统开发[D].郑州：华北水利水电大学，2016.
[10]孙浩.基于单片机的温室温湿度采集系统设计[J].自动化与仪器仪表，2017（3）：198-200.
[11]王子园.基于无线传感网的温室大棚环境监控系统设计[D].石家庄：河北科技大学，2019.
[12]易政彪.基于互联网技术的温室大棚智能监控系统的研究与实现
[D].长沙：湖南大学，2018.
测试时间测量温度
/℃
实际温度
/℃
温度误差
/℃
测量湿度
/RH
实际湿度
/RH
湿度误差
/RH
测量光照度
/LX
实际光照度
/LX
光照度误差
/LX
控制器是
否启动
8:00 17.3 17.4 -0.1 85.6 85.1 0.4 2005 2008 -3 是
9:00 18.4 18.1 0.3 82.9 83.1 -0.2 4008 4012 -4 是
10:00 19.6 19.5 0.1 80.3 79.8 0.5 6462 6452 10 是
11:00 22.5 22.8 -0.3 77.3 77.1 0.2 8134 8129 -5 否
12:00 25.5 25.1 0.4 75.1 75.6 -0.5 10468 10460 8 否
13:00 27.2 27.5 -0.3 72.6 71.9 0.7 11563 11553 10 是
14:00 28.6 28.9 -0.3 70.9 70.5 0.4 10646 10638 8 否
15:00 26.6 26.2 0.4 68.8 68.5 0.3 8136 8126 10 是
16:00 23.8 23.5 0.3 66.5 66.2 0.3 7329 7318 11 是
17:00 20.3 20.6 -0.3 63.6 63.3 0.3 2146 2140 6 是
18:00 17.9 18.2 -0.3 61.3 60.9 0.4 39 40 -1 是
监控系统软件表1基于单片机的大棚监控系统温湿度、光照度测试与控制数据
(下转44页)
[13]滕志军，曲兆强，张力，等.基于改进ZigBee路由算法的温室大棚在线监测系统[J].江苏农业科学，2017（21）：247-251.[14]徐科军.传感器与检测技术（第4版）[M].北京：电子工业出版社，2016：58-218.
[15]韩国鑫，谭峰，马志欣，等.基于Android的水稻生长田间管理辅助决策系统[J].江苏农业科学，2019，47（2）：221-225.
共地；蓝牙模块的TX接转换模块的RX，蓝牙模块的RX 接转换模块的TX。如图6所示：
图6转换模块
在这时就要先将转换模块连接到电脑上，然后再利用串口调试助手进行蓝牙模块的调试。直接将蓝牙模块与转换模块连接，再将其连接到电脑上，蓝牙模块直接进入自动连接工作模式。此时手机打开蓝牙串口调试应用，用来进行蓝牙模块连接。手机蓝牙串口助手软件将直接对蓝牙模块和转换模块进行连接，蓝牙模块直接进入自
动连接的工作模式，再将其连接到电脑上。电脑端截图和手机端截图如图7、图8：
图7电脑端截图
4结论
通过多次实验发现，本设计能够通过单片机实现控制四个传感器模块与蓝牙模块功能，实现了对老年人体温和心率血氧是否处于正常范围的测试判断、周围环境是否有可燃气体标志物超标的情况、是否遇到紧急摔倒的可能性等目标的功能监测。本设计的优点在于系统稳定，实用性高，实时监测人体健康状况，价格成本低廉，区别于市面上价格虚高的手环产品。尤其在可燃气体检测方面，市场上未出现该类功能的手环产品。特别是对于一些长时间居家的老人，当家中出现可燃气体泄露时，能够及时发出警报，提醒老人关闭阀门。本设计为老年人提供更多的安全保障。当然该设计也有一些缺陷，因为蓝牙模块的距离限制，不能像GSM通信模块那样有更远范围的通信，这在后续的发展中有待解决。
参考文献:
[1]王珊.老年人可穿戴运动健康监护产品研究———以智能手环为例[J].工业设计，2016（9）：65-66.
[2]李怡，赵云鹏.蓝牙防丢器的设计与实现[J].卫星电视与宽带多媒体，2020（7）：38-39.
[3]郑虎林，王珂.一种智能温度监测报警系统的设计[J].技术与市场，2020，27（2）：39-40.
[4]冯佩云，冯俊青.基于STC89C52的远程水位监测实现[J].智慧工厂，2018（8）：57-59.
[5]周明，李亚军.面向中国特养老服务的产品交互适老化设计研究[J].艺术百家，2017，33（1）：233-234.
[6]李鑫宇，肖雪.基于单片机的温度控制系统设计研究[J].通信电源技术，2018，35（2）：
15-16.
图8手机端截图(上接40页)
版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。
发表评论