智能農業溫室大棚控制系統設計范文

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【摘要】傳統的溫室大棚監測和控制需要過多的人工干預，在實際操作中既容易造成參數調節差錯也浪費人力成本。本文設計一套智能溫室控制系統，能對溫室大棚參數進行采集、信號傳輸以及智能監測和決策控制。實踐證明，該系統具有很好的經濟效益和推廣應用價值。

【關鍵詞】智能；溫室大棚；控制

目前溫室大棚基地是蔬菜的一個重要來源地，傳統的溫室大棚基地的參數控制主要靠人為介入調節，如果僅靠人工控制既耗人力，又容易發生差錯。相對生產來說，將智能化控制系統應用到大棚生產以后，產量與質量比人工控制的大棚都有極大的提高，對于不同的種植品種而言，提高產量與質量相對不同，對于檔次較高的經濟作物來說，生產效率可以提高30%以上。為此，在現代化的大棚管理中需要有一套完整的智能農業溫室大棚控制系統，以控制大棚各項參數，適應生產需要。智能農業溫室大棚控制系統采用先進的傳感器技術、網絡傳輸技術以及物聯網技術，準確設置溫室大棚基地的環境參數，系統采樣溫室大棚各參數后和設定值做對比分析，自動調節輸出執行機構使環境參數達到設定值。

1系統總體設計

各種環境因素對溫室大棚智能化調節提出了新的要求，為了能適應環境變化，使系統能夠全方位和角度感知環境參數的動態變化、數據信息有效傳輸及系統穩定性的特點，使用物聯網智能控制技術，結合Zigbee無線傳感網絡技術、嵌入式技術等新一代信息技術對溫室大棚進行全方位的監測和調節。溫室大棚控制系統主要包括感知層、數據傳輸層和系統應用層。其中感知層網絡由Zigbee終端節點、路由節點和協調器組成，主要應用Zigbee技術進行無線節點設計，對需要的大棚信息參數進行采集，各終端節點對溫濕度、光照度、CO2濃度等參數實時采集后，經過由協調器組建的通信網絡傳輸給協調器，協調器與主控制板進行通訊。主控制板通過LAN網絡和遠程控制的WAN網絡進行數據相互交互和傳輸，技術人員可以通過電腦或者手機實時監測溫室大棚的各環境參數。針對需要調節的參數，系統主控板接采樣到數據后，和目標值進行比較，將誤差和誤差變化率作為模糊控制的輸入端，建立一個二維輸入多輸出的模糊控制器，為系統參數調節提供決策。系統總體設計結構圖如圖1所示。圖1系統總體設計結構圖

2系統模塊硬件設計

2.1溫濕度傳感器

DHT1電路溫濕度參數采集電路主要通過DHT11傳感器實現，溫濕度采集電路如圖2所示。DHT11內部包括了一個微型單片機和溫濕感應元器件，具有低功耗、響應快速、抗干擾能力強的特點，信號的傳輸距離可以達到20米以上。DHT11傳感器和控制器連接的方式支持單總線的通信協議，數據和指令的發送和接收都是通過第2腳DATA引腳進行傳輸的。在硬件設計中，需要將DATA引腳外接上拉電阻4.7KΩ到3.3V，保證總線沒有設備占用時總線電平為高電平。主機訪問總線上器件時必須遵守單總線的時序，只有主機呼叫從機，從機才會應答。溫濕度傳感器DHT11供電范圍是3.5V-5.5V，如果超過這個范圍，傳感器可能會燒、假如低于這個范圍，可能傳感器會讀出錯誤的溫濕度數據。因此，在使用那些3.3v單片機做編程的時候，這點需要特別注意。

2.2光照度傳感器電路設計

BH1750FVI是日本羅姆（ROHM）半導體生產的IIC數字接口的環境光傳感IC，支持速率最大400Kbps，具有較小的測量誤差（精度誤差最大值±20%），支持兩個IIC地址，通過ADDR引腳選擇。該傳感器內部包含有16位AD轉換，可以直接輸出環境光強的數值，其光照度測量范圍為1lx-65535lx，通過IIC輸出其數值。該傳感器具有3種分辨率模式可以設置，分辨率分別為4lx、1lx和0.5lx時所對應的測量時間為16ms、120ms和120ms。使用BH1750FVI時，首先需要對串口調試助手的參數進行設置，主要包括傳輸波特率、奇偶校驗位、數據位和停止位。對于兩個進行通信的端口,這些參數必須匹配；然后根據傳感器讀寄存器地址讀取傳感器采集的數據。光照度傳感器電路如圖3所示，傳感器U4的ADDR引腳為IIC的地址端口，本系統設計中，BH1750FVI第2腳接地表示該芯片的地址為0100011；如果第2腳接高電平則表示該芯片地址為1011100。芯片第5腳DVI端口為內部寄存器的異步重置端口，芯片第4腳SDA和第6腳SCL分別接處理器的IIC總線接口。

2.3CO2傳感電路設計

在蔬菜溫室大棚中，二氧化碳對蔬菜栽培的影響比較大。因此在管理蔬菜大棚的時候，要對CO2氣體進行調節，以滿足蔬菜高產的需求。CO2的調節主要集中在白天進行光合作用的時期，本文選擇MH-Z14氣體傳感器對CO2濃度進行測量，該傳感器模塊性能穩定，并具備低功耗、高分辨率、高靈敏度的特點。傳感器利用非色散紅外原理對大棚環境中存在的CO2進行檢測，可以用模擬電壓和數字輸出的方法同時輸出檢測結果，參數可以用串口、PWM波形、模擬電壓信號等實時輸出方式。其內部自帶溫度傳感器，對溫度進行有效補償保障結果的準確性，具有良好的線性輸出。為了保證傳感器正常工作，傳感器的恢復供電時間必須小于50MS，工作電壓保持在4.5V~6VDC范圍中，超出此電壓范圍將會導致故障指示，或傳感器將不能正常工作。MH-Z14是通過UART進行通訊的，模塊工作于UART的從機模式，可以與外部的MCU相聯。第8腳HD為校零使用，低電平有效；第4腳為DAC2輸出電壓范圍0.4V~2V，對應氣體濃度0~滿量程。MH-Z14模塊電路如圖4所示。

3系統軟件設計

3.1溫濕度傳感器

DHT11軟件設計DHT11用的是單總線協議，每次讀取DHT11的數據時，都要一次性讀取40次，也就是讀取40位。并且數據前16位是與濕度相關的，中間16位是與溫度相關的，最后8位是用來校驗的，當校驗成功后，證明這一次的溫濕度結果正確的，單片機就可以使用這個溫濕度值；如果校驗不通過，那么就代表這次讀取出來的溫濕度值是錯誤的，需要丟棄該數據，原因可能是驅動程序沒有嚴格按時序來寫，也有可能是傳感損壞。第一步：主機先發送開始信號，從機會返回一個相應信號進行應答。DHT11上電后，第2腳DATA數據線由上拉電阻R30拉高一直保持高電平，此時,DATA引腳處于輸入狀態，不斷檢測外部信號。第二步：主機信號線拉高準備接收數據。先將微處理器連接DATA引腳的IO引腳設置為輸出模式，并輸出有效低電平維持18ms，然后將將該IO引腳設置成上拉輸入狀態，等待DHT11將數據線拉低作出回答有效信號。第三步：開始接收數據。當DHT11檢測到DATA引腳所在數據線被拉低后，等待該低電平結束后并輸出至少80us的低電平作為總線應答信號，接下來輸出80us的高電平信號通知微處理器準備接收數據，微處理器接收到該信號后，開始接收數據。接收40位長的數據，其中前16位是是濕度數據，中間16位是溫度數據，接下來的8位為校驗數據位。第四步：結束信號。DHT11的DATA引腳輸出40位數據后，繼續輸出低電平50微秒后轉為輸入狀態，由于上拉電阻隨之變為高電平。但DHT11內部重測環境溫濕度數據，開記錄數據，等待外部信號的到來。DHT11數據處理流程圖如圖5所示。

3.2光照度傳感器

BH1750FVI驅動設計微處理器通過IIC總線向光照度傳感器BH1750FVI發送起始信號，接下來向傳感器進行地址分配并發送寫信號。光照度傳感器BH1750FVI應答后，微處理器向傳感器發送內部寄存器地址，傳感器采集數據后，微處理器等待應答信號到并讀取光照度傳感器BH1750FVI的16位數據。數據分為高位和低位，過程為微處理器通過IIC總線向傳感器發送起始信號，并向傳感器發送設備地址和寫信號，發送完畢，微處理器等待傳感器應答，微處理器得到應答信號后讀取高8位數據，并發送應答信號給傳感器，再讀取低8位數據。傳感器不發送應答信號給微處理器，微處理器停止信號發送，采集過程結束。由硬件設計可知，BH1750FVI的IIC從屬地址為0100011，十六進制為0x46。往寄存器地址REG_Address里寫內容的驅動函數如下：讀取BH1750的16位數據的驅動程序如下，其中hbyte代表高8位，lbyte代表低8位，SlaveAddress表示設備地址。

3.3無線傳感器網絡組件

智能農業溫室大棚控制系統節點數據的傳輸主要采用Zig-bee無線傳感技術，各終端節點主要負責環境參數采集上傳到中控系統，也需要接收中控系統傳輸來的指令并執行操作。建立由終端節點、路由節點以及協調器等多個Zigbee節點組成的網狀型結構的Zigbee網絡能有效監測和控制農業溫室大棚的各環境參數。協調器主要負責網絡的組建、維護、控制終端節點的加入等工作。路由器主要負責數據包的路由選擇和轉發。終端節點負責數據的采集和執行控制命令等，不具備路由功能。協調器通過串口中控系統進行連接交互數據。Zigbee終端節點入網流程圖如圖6所示。

4結論

本文針對現代農業溫室大棚的技術需求，設計了一種智能溫室農業大棚控制系統方案，通過傳感器對個監測對象進行信號采集和調理，通過Zigbee網絡傳輸給主控系統，完成了溫濕度傳感電路、光照度傳感電路以及CO2濃度測試電路和Zigbee節點等的部分軟硬件設計，實驗結果分析表明：該系統具有良好的應用推廣價值和經濟效益。

參考文獻

[1]劉力,鮑安紅,曹樹星,等.溫室大棚內環境自動化控制方案設計[J].農機化研究,2013(1):90-93.

[2]孫碩碩,郭劉飛,徐志業,等.智能溫室大棚控制系統設計[J].黃河科技學院學報,2019(2):77-78.

作者：張葉茂 劉紅艷  符樹全 單位：南寧職業技術學院機電工程學院