基于单片机的温室大棚智能系统的研究

    孙鹏程

    

    

    摘要：本系统是一种基于单片机的大棚智能调节系统，包括单片机控制装置、PC机、液晶显示器、GPRS定位装置、使用终端、多个传感器装置、ZigBee装置及继电器组；单片机控制装置分别与PC机及液晶显示器连接，单片机控制装置与GPRS定位装置及ZigBee装置双向连接，GPRS定位装置与使用终端连接，ZigBee装置与继电器组连接；多个传感器装置分别与单片机控制装置连接。本系统通过对大棚内各项指标的综合评价与分析，提升大棚种植的效率与安全性，把所有监控节点加入网络中，以实现对设备的调控，用户可通过手机、平板等联网设备查看大棚内的环境参数，并可对大棚内的设备进行控制。

    关键词：单片机；GPRS；ZigBee装置；终端；智能调节系统

    中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0267-03

    Abstract： This system is a microcontroller-based intelligent greenhouse control system including microcontroller， PC， LCD display， GPRS positioning device， terminal， a plurality of sensor devices， ZigBee devices and relay group； MCU control device respectively connects with PC and LCD display. Microprocessor control unit connects with GPRS positioning device and a ZigBee device in two-way connection. GPRS connects with terminal. ZigBee device connects with the relay group； a plurality of sensor devices are connected to the microcontroller. Through indicators in the comprehensive evaluation and analysis in the greenhouse，the system can enhance the efficiency and safety of greenhouse cultivation. All monitoring nodes join the network in order to achieve the regulation of the device. The user can view the greenhouses through mobile phones tablet and other networked devices， and the device can be controlled within the greenhouse.

    Key words： microcomputer； GPRS； ZigBee device； terminal； intelligent greenhouse control system

    1 概述

    在我国，温室大棚技术发展的比较晚。20世纪60年代，种植农作物使用的是塑料大棚。20世纪70年代的时候，一些技术先进的温室设备从国外被引入到国内。但是那时候考虑的并不完全，因为光引进温室设备是不够的，像温室大棚作物的栽培、管理方面的技术，以及地域、水土、气候乃至资源的差异也要重视起来，而且引进的温室能能源消耗太大，以至于这些巨资引进的设施基本上亏损经营。到了20世纪80年代，经过向发达国家学习温室控制技术这个过程之后，人工气候室内微机控制技术才渐渐地被我国的工程技术人员掌握，可是该技术所控制的环境参数有限，只限于温度、湿度和二氧化碳浓度这样的单项环境因子。到了20世纪90年代的初期，大型的温室大棚在我国的发展并不乐观。在“九五”初期的时候，建立了“北京中以示范农场”，这个农场是以以色列温室为代表的，于是掀起了国内对发达国家先进温室技术第二次学习和引进的热潮。到了20世纪90年代的中后期，经过对发达国家温室设施配备、品种栽培、栽培技术等各个方面有了系统的研究之后，一些具有研究性质的环境控制系统被开发出来了，这完全是我国自主研发的系统。在1995年的时候，“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”被北京农业大学研制出来了，它是一种小型分布式数据采集控制系统。1996年，基于工控机来管理的植物工厂系统又被江苏理工大学成功研制出来了。而且中国农业机械化科学研究院又研发出了新型的智能温室系统，这个系统包括：大棚、通风降温系统、存储太阳能系统、燃油热风加热系统、灌溉系统以及计算机环境参数测控系统等。自从1997年，中国农业大学在温室环境在自动控制技术方面，也有着不错的成果。

    最近几年，我国的温室大棚控制技术虽然有了不错的发展，但是仍然有一些问题。主要表现在：1）从分布上看，我国的温室在北方区域占大多数，像东北、华北等这些地方，而其他地区的温室数量就显得少的多了；2）从结构上看，国产温室大多数都是比较简易的，可以附加的设施也是比较少的，所以保温效果不是很好，主要是依靠太阳光；3）在控制和管理方面，国产温室的自动化程度不高，主要是靠人力来调节。虽然最近几年在温室的自动控制方面，国内的一些人对其进行了研究，但是他们主要是对单个因子进行研究，所以研究的并不全面。

    现在，在网络化测量和控制方面，一些相关的行业己经有了研究，目的是以网络化和分布式数据采集系统来替代信息封闭、与外界隔离的系统，甚至可以不通过Internet网络对数据进行采集，来实现远程的系统调控。虽然国内温室规模比较有限，还未形成规模化经济，而且组建的费用也挺高的，但是相信不久的将来，温室监控系统分布式和网络化肯定是一种趋势。

    发达国家的现代温室测控技术发展的较早。在1949年，工程技术在美国发展迅速，所以第一个植物人工气候室就是在美国建成的。建立该气候室是为了研究在自然的条件下，植物的适应性和抵抗能力以及在这方面有什么应用。到了20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用到农业生产中去，比如第一个番茄生产工厂在奥地利被建成。20世纪70年代后，发达国家的温室园艺发展的非常快，温室设施不仅在农业中有着广泛的应用，而且在畜牧业和水产养殖业这些方面也有着应用。几十年来，计算机技术是日新月异，发展的异常迅猛，而且智能控制理论也有着长足的进步。所以将近一百年来，温室大棚对于设施农业来说，起到了举足轻重的作用，世界各地都有着温室大棚的影子。尤其在20世纪70年代，由于电子科技的迅猛发展和微型计算机的问世，温室大棚技术有了根本性的变化。到了80年代，微型计算机的价格下降，经济上更能负担起来。而且人们对温室环境有了更高的要求。在发达国家，温室调节系统是以智能化的微型计算机为核心的。

    温室产业及相关技术在国外的发展速度很快。如从80年代到90年代，以色列的温室更新了三代，换代后的温室自动化的程度高，不仅可以供水，而且还可以施肥等自动调节环境因素。在英国，温室的发展也备受关注，科学技术人员对温室的节能、自动化控制、作物栽培及产后处理等方面先后进行了研究。2003 年11月，在荷兰的阿姆斯特丹 RAI展览馆举行的国际花卉展览会上，来自世界各国的 477 个厂商展示了他们各自的产品和实力。另外，发达国家的温室正向越来越先进的方向发展，像遥测技术、网络技术和控制局域网这些先进的技术，正逐渐被应用到温室中。

    近些年，我国的设施农业有了很大的发展，在温室大棚中种植农作物的技术，已经突破了传统农作物种植受地域 、气候、自然环境等各种因素的影响的限制，这对于农业生产来说，有着重大意义。在不适宜植物生长的季节或环境下，温室能给植物提供更有利的条件和并且增加植物产量。温室要采用采光材料作为结构材料，采光材料可以部分也可以全部覆盖大棚。提供生育期、促进作物发育、生长、预防虫害以及提高作物的产量和质量等是温室生产的目标。而且温室设备的主要技术是对环境进行调控，该技术是以提高对大棚环境的控制能力和作业精度为目的。

    2 系统总体设计方案

    一种基于单片机的大棚智能调节系统，包括单片机控制装置、PC机、液晶显示器、GPRS定位装置、使用终端、多个传感器装置、ZigBee装置及继电器组；单片机控制装置的输出端分别与PC机及液晶显示器的输入端连接，单片机控制装置与GPRS定位装置及ZigBee装置双向连接，GPRS定位装置的输出端与使用终端的输入端连接，ZigBee装置的输出端与继电器组的输入端连接；多个传感器装置的输出端分别与单片机控制装置的输入端连接，将温度传感器、湿度传感器、光照度传感器和二氧化碳浓度传感器分别安装在大棚内。

    上述的基于单片机的大棚智能调节系统，其中，还包括大棚环境调节设备，所述的大棚环境调节设备设置在大棚内并分别与多个传感器装置连接。大棚环境调节设备包括温度控制器、湿度控制器、补光装置及二氧化碳控制器，温度控制器和温度传感器相连接，湿度控制器和湿度传感器相连接，补光灯和光照度传感器相连接，二氧化碳控制器和二氧化碳浓度传感器相连接。PC机与所述的单片机控制装置之间通过串行总线连接。在大棚的顶部安装有太阳能电池板，太阳能电池板与单片机控制装置电连接。图1是基于单片机的大棚智能调节系统的连接框图。

    3 具体实施方案

    单片机控制装置采用型号为AT89C52，AT89C52是一个CMOS 8位单片机，具有低电压，高性能的特点，该单片机内有8k bytes的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），其中，Flash只读程序存储器可以反复进行擦写。该单片机的片内包含了通用8位中央处理器和Flash存储单元，它的生产采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，并且兼容了标准MCS-51的指令系统，因此AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52单片机的引脚有40个，外部双向输入/输出（I/O）端口有32个，内部含有2个外中断口、2个全双工串行通信口、2 个读写口线以及3个16位的可编程定时计数器。单片机AT89C52不仅能够按常规的方法进行编程，还能够通过在线的方式进行编程。它把通用的微处理器和Flash存储器进行了结合，尤其是可反复擦写的 Flash存储器对开发成本的降低有着至关重要的作用。

    使用DS18B20温度传感器采集大棚内温度。DS18B20是一种支持单总线接口的温度传感器，可对大棚内温度的细微变化做出精准的数据采集。DS18B20的测温范围为-55～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃，并且它具有微型化低功耗高性能抗干扰能力强等优点。

    在DS18B20的内部结构中，非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器被包含在内。传感器完成一次温度转换之后，就把采集到的温度值和存储在TH和TL中的报警预设值进行比较，进而判断大棚内的温度是否满足要求并进行调控。而且用户还能在上位机界面对温度的阈值进行设定，系统自动把设定值写入到DS18B20传感器中。

    湿度传感器所使用的是SHT11贴片型温湿度传感器装置。在同一块芯片上的电容性聚合体测湿敏感元件和使用能隙材料制成的测温元件被包含在传感器中，它们和串行接口电路以及14 位的A/D 转换器实现了没有缝隙的连接。在标定方面，每块传感器芯片都是在非常精确的湿度腔室中进行的。对于校准系数，它是用于对内部信号校准方面上，并且在OTP 内存中是以程序形式进行储存的。外围系统集成之所以变得简单而快速，是因为内部的电压调整和两线制的串行接口的使用。

    对于光照强度传感器，使用的是BH1750FVI传感器。该传感器是一种数字型光强度传感器集成电路，应用了两线式串行总线接口；它具有很高的光分辨率，能够对较大范围的光照强度进行探测。该传感器的测量范围是1～655351x，对亮度的测量精确度达到了llx，而且测量范围比较广；它的输出可以直接以数字方式进行，这样既省略了繁琐的计算，还省略了标定，而且还有大输入范围和对光源的弱依赖性等特点。

    对于二氧化碳浓度传感器，使用的是MG-811，MG-811对二氧化碳有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响较小，有着良好的稳定性、再现性。其湿度测量范围为20%～70%，温度测量范围为0～50℃，测量精度为8%，完全符合本系统的需求。

    大棚环境调节设备包括温度控制器、湿度控制器、补光装置及二氧化碳控制器，所述的温度控制器与所述的温度传感器连接，湿度控制器与所述的湿度传感器连接，补光灯与所述的光照强度传感器连接，二氧化碳控制器与二氧化碳浓度传感器连接。温度控制器、湿度控制器、补光装置及二氧化碳控制器可以采用现有技术的控制设备，对于补光装置，可以在大棚顶上安装卷帘机、遮阳网以及在大棚内安装补光设备（如：日光灯）。当光照强度高于预设值时，启动卷帘机打开遮阳网，来降低光强；当光照强度低于预设值时，打开补光设备，增强大棚内的光强。

    PC机与单片机控制装置之间通过串行总线相连接，RS-232接口应用在PC机的串行口上。因为单片机控制装置的串行口电平是TTL电平，所以需要将TTL电平转换为RS232电平才能实现与PC机的串行通信。因此，采用了MAX232芯片来实现电平转换。转换之后，将单片机控制装置中的数据上传给PC机进行存储，这样就连接了PC机和单片机控制装置。图2是通信链路图。

    在大棚的顶部安装有太阳能电池板，太阳能电池板与单片机控制装置相连接，由于大棚一般位于光照充足的地域，所以可以充分利用当地的太阳能资源，节约了电力资源。可以将太阳能电池板固定在大棚顶上，这样在阳光充足的情况下，可以充分搜集太阳能资源，节约了电能。当遭遇连续阴雨天气时，可以使用蓄电池或锂电池来供电。其中，ZigBee系统可以在低功耗模式下运行，所以可以用碱性电池进行供电。通过合理的设计，可以保障系统的可靠运行，从而提高了数据监测的准确性。

    4 结论

    综上所述，本系统综合利用多传感器数据融合、远程无线数据传输、ZigBee组网、移动终端控制等关键技术，允许授权用户通过多种移动终端（如手机、平板电脑等）随时掌握实时数据，实现远程控制目的；采用多传感器融合技术，对大棚内的二氧化碳浓度、温度、湿度、光强值数据多角度全方位进行搜集，可通过LCD液晶显示，使用户获得直观的数据资料。通过对多项参数的调控，增强农作物进行光合作用的能力；采用远程无线通信方式，保障了数据传输的稳定性以及高效性。

    参考文献：

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