【正文】 大棚溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 西方發(fā)達(dá)國家在現(xiàn)代化溫室測(cè)控技術(shù)起步較早，借助其發(fā)達(dá)的科技力量，已實(shí)現(xiàn)了溫室測(cè)控的自動(dòng)化、智能化，并且應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。1949年，美國建成了第一個(gè)植物人工氣候室，開展了植物對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)性和抵抗能力的基礎(chǔ)及應(yīng)用的研究。20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)型的高級(jí)溫室開始應(yīng)用與西方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，70年代以后荷蘭、日本、美國、以色列等國家的溫室技術(shù)迅猛發(fā)展，溫室設(shè)計(jì)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖多個(gè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來，溫室大棚的自動(dòng)監(jiān)控和管理技術(shù)不斷提高，在世界各地都得到了長足的發(fā)展。目前，國外的溫室的內(nèi)部設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了比較完備的程度，并且形成了一些標(biāo)準(zhǔn)。溫室的各種環(huán)境因子大多有計(jì)算機(jī)集中控制，各種傳感器都比較齊全和成熟，不僅對(duì)溫度、濕度、CO2濃度和光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，還可以對(duì)作物的營養(yǎng)液濃度等多種條件進(jìn)行檢測(cè)，各種控制技術(shù)也非常成熟，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)合程度非常高。一些國家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動(dòng)化和無人化的方向發(fā)展。我國的溫室技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)70年代以前我國基本還停留的農(nóng)業(yè)完全人工作業(yè)，70年代以后，國家大力發(fā)展以溫室大棚為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)節(jié)蔬菜季節(jié)性短缺的矛盾。經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國的溫室大棚已經(jīng)具有規(guī)?；I(yè)化、管理水平高的特點(diǎn)，但是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化程度不高，走科學(xué)種植的道路卻要人工實(shí)現(xiàn)，全國大多數(shù)大棚不具有自動(dòng)控制設(shè)備，這與我國的經(jīng)濟(jì)條件所決定。近年來我國大力發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，一批生產(chǎn)自動(dòng)化農(nóng)業(yè)設(shè)施的廠家應(yīng)運(yùn)而生，但是現(xiàn)在這些設(shè)備還沒有普及，原因又很多，農(nóng)民自身知識(shí)水平不高不相信科學(xué)是一方面，經(jīng)濟(jì)水平也決定了我國的溫室大棚自動(dòng)化的道路任重而道遠(yuǎn)?？傮w上說，我國自行開發(fā)的溫室測(cè)控系統(tǒng)其技術(shù)水平和調(diào)控能力與西方發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。而我國的綜合環(huán)境控制技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍停留在研究單個(gè)或者幾個(gè)環(huán)境因素調(diào)控技術(shù)的階段，而實(shí)際上溫室環(huán)境中的溫度、濕度、CO2濃度、光強(qiáng)等環(huán)境因子，都是在互相影響、互相制約的狀態(tài)下影響植物的生長的，環(huán)境因素的時(shí)間變化、空間變化都很復(fù)雜。因此，我國的現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)任重而道遠(yuǎn)。 在人類的生活環(huán)境中，溫濕度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時(shí)無刻不在與溫度和濕度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫濕度有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫濕度的因素。溫濕度不但對(duì)于工業(yè)如此重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度的監(jiān)測(cè)與控制也有著十分重要的意義。我國人多地少，人均占有耕地面積更少。因此，要改變這種局面，只靠增加耕地面積是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此我們要另辟蹊徑，想辦法來提高單位畝產(chǎn)量。溫室大棚技術(shù)就是其中一個(gè)好的方法。溫室大棚就是建立一個(gè)模擬適合生物生長的氣候條件，創(chuàng)造一個(gè)人工氣象環(huán)境，來消除溫度對(duì)生物生長的約束。而且，溫室大棚能克服環(huán)境對(duì)生物生長的限制，能使不同的農(nóng)作物在不適合生長的季節(jié)產(chǎn)出，使季節(jié)對(duì)農(nóng)作物的生長不再產(chǎn)生過度影響，部分或完全擺脫了農(nóng)作物對(duì)自然條件的依賴。由于溫室大棚能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，所以溫室大棚技術(shù)越來越普及，并且已成為農(nóng)民增收的主要手段。隨著大棚技術(shù)的普及，溫室大棚數(shù)量不斷增多，溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測(cè)便成為一個(gè)十分重要的課題。傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測(cè)是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計(jì)和濕度計(jì)，通過讀取溫度值和濕度值了解實(shí)際溫濕度，這些操作都是在人工情況下進(jìn)行的，耗費(fèi)了大量的人力物力。另外俗稱氣肥的二氧化碳對(duì)農(nóng)作物影響是雙面的過高過低都會(huì)使作物生長受到影響，傳統(tǒng)大棚種植經(jīng)驗(yàn)缺乏對(duì)二氧化碳的關(guān)注?，F(xiàn)在，隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷提高，農(nóng)產(chǎn)品在大棚中培育的品種越來越多，對(duì)于數(shù)量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。為溫室大棚的建設(shè)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)也提出了越來越高的要求。今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機(jī)的小電腦在為我們服務(wù)。單片機(jī)在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等各測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭。時(shí)下，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、遙控化、模糊控制化已成為世界潮流，而這些高性能無一不是靠單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。采用單片機(jī)來對(duì)溫度、濕度二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以及時(shí)科學(xué)、精確的監(jiān)測(cè)到溫室大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境因素變化的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠?yàn)榧皶r(shí)調(diào)整、控制室內(nèi)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中必不可少且廣泛應(yīng)用的器件，尤其在日常生活中也發(fā)揮越來越大的作用。因此，單片機(jī)對(duì)溫濕度的控制問題是一個(gè)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。因此，本課題圍繞基于單片機(jī)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開了應(yīng)用研究設(shè)計(jì)工作。隨著單片機(jī)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制方面的研究有了明顯的進(jìn)展，并且必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，目前應(yīng)用于溫室大棚的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的傳輸系統(tǒng)。這種溫濕度度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測(cè)溫電纜，才能把現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時(shí)線路上傳送的是模擬信號(hào)，易受干擾和損耗，測(cè)量誤差也比較大。另外目前的監(jiān)測(cè)設(shè)施的終端都設(shè)在棚附近查看數(shù)據(jù)不方便不便于集中管理。為了克服這些缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字傳感模塊采集數(shù)據(jù)、通過單片機(jī)處理后經(jīng)無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸達(dá)到“遙感”的目的解決了上述問題。本系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)行采集，利用溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器將溫室大棚內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度的變化，變換成數(shù)字量，其值由單片機(jī)處理，再由單片機(jī)去驅(qū)動(dòng)無線收發(fā)模塊，最后通過USB與PC機(jī)連接來顯示溫室大棚內(nèi)的實(shí)際溫度、濕度和二氧化碳濃度。這種設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的測(cè)量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡單方便，性價(jià)比高，可維護(hù)性好。這種溫濕度測(cè)控系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫室大棚，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是一種比較智能、經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推廣，以便促進(jìn)農(nóng)作物的生長，從而提高溫室大棚的畝產(chǎn)量，以帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2 系統(tǒng)整體方案與硬件選擇本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性；溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器可以產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)；無線收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)男阅?。此設(shè)計(jì)是以C8051F340單片機(jī)基本系統(tǒng)為核心，以無線數(shù)據(jù)傳輸為亮點(diǎn)的一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中包括溫濕度監(jiān)測(cè)、二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)、單片機(jī)、無線傳輸電路、USB傳輸電路、PC顯示窗口設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)等。 系統(tǒng)總體框圖本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示死部分構(gòu)成的。（1） 數(shù)據(jù)采集 由DHT1TGS4160組成；（2） 數(shù)據(jù)處理 由單片機(jī)C8051F340基本系統(tǒng)組成；（3） 數(shù)據(jù)傳輸 由單片機(jī)C8051F340和NRF24L01組成；（4） 數(shù)據(jù)顯示 由USB、PC顯示窗口組成。本系統(tǒng)中DHT11是溫濕度傳感器采集大棚室內(nèi)溫度、濕度信息。輸出數(shù)字信號(hào)。TGS4160是二氧化碳傳感器采集大棚室內(nèi)二氧化碳信息輸出數(shù)字信號(hào)。C8051F340（I）單片機(jī)驅(qū)動(dòng)DHT1TGS4160兩個(gè)傳感器進(jìn)行信息采集并對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)無線發(fā)送模塊NRF24L01將處理后的信息發(fā)送出去。NRF24L01（A）是無線發(fā)送模塊對(duì)C8051F340（I）所給的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送前處理并在C8051F340（I）的驅(qū)動(dòng)下將適合在信道傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)送出去。NRF24L01（B）為無線接收模塊其作用是在單片機(jī)C8051F340（II）的驅(qū)動(dòng)下接收、處理NRF24L01（A）所發(fā)送的信號(hào)。單片機(jī)C8051F340（II）驅(qū)動(dòng)USB線纜傳輸最后所得信息并驅(qū)動(dòng)PC顯示窗口顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)電源模塊為傳感器、單片機(jī)供電。下面將一一介紹簡單硬件基本資料和選擇該硬件具體原因。（由于成本原因二氧化碳傳感器用電位器代替）單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它把中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路以及定時(shí)器葉數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高等特點(diǎn)，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器(MCU)代替單片微型計(jì)算機(jī)(SCM)這一名稱?！拔⒖刂破鳌备芊从硢纹瑱C(jī)的本質(zhì)，但是由于單片機(jī)這個(gè)名稱已經(jīng)為國內(nèi)大多數(shù)人所接受，所以仍沿用“單片機(jī)”這一名稱。單片機(jī)的主要特點(diǎn)有:(1) 具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。(2) 集成度高、體積小、可靠性高。(3) 控制功能強(qiáng)。(4) 低電壓，低功耗。單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域:(1) 工業(yè)控制(2) 儀器儀表(3) 電信技術(shù)(4) 辦公自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備(5) 汽車和節(jié)能(6) 制導(dǎo)和導(dǎo)航(7) 商用產(chǎn)品(8) 家用電器因此，在本設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在單片機(jī)選用方面，由于C8051F340系列單片機(jī)與MCS51系列單片機(jī)兼容，所以，本系統(tǒng)中選用C8051F340單片機(jī)。、C8051F340介紹C8051F340 器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU，下面列出了一些主要特性： 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核（可達(dá)48MIPS） 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 通用串行總線（USB）功能控制器，有8個(gè)靈活的端點(diǎn)管道，集成收發(fā)器和 1K FIFO RAM 電源穩(wěn)壓器 真正10位200ksps的單端/差分ADC，帶模擬多路器 片內(nèi)電壓基準(zhǔn)和和溫度傳感器片內(nèi)電壓比較器（兩個(gè)） 精確校準(zhǔn)的12MHz內(nèi)部振蕩器和 4 倍時(shí)鐘乘法器 多達(dá)64KB的片內(nèi)FLAS