【正文】 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉娟 （德州學(xué)院物理系，山東德州253023）摘 要 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心，采用加熱爐和風(fēng)機(jī)、噴灌和滲灌、熒光燈，分別為溫室大棚進(jìn)行加熱、增加二氧化碳濃度、增加空氣濕度、灌溉、人工補(bǔ)光；使用SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器、FDS100型土壤水分傳感器、SH300DH二氧化碳傳感器和TSL2561光強(qiáng)傳感器，將采集的大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)信息在液晶1602上顯示出來，并通過無線通信模塊nRF905將信號傳到從機(jī)。主機(jī)完成各項(xiàng)數(shù)值預(yù)制和報(bào)警電路模塊功能，從機(jī)完成采集數(shù)值的顯示及加熱爐和風(fēng)機(jī)、噴灌和滲灌和熒光燈的控制功能。本文設(shè)計(jì)的溫室大棚控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集控制溫室內(nèi)的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，以直觀的數(shù)據(jù)顯示給用戶，并可以根據(jù)種植作物的需求提供報(bào)警信息。關(guān)鍵詞 AT89S52；傳感器；nRF9051 緒論 隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)不再滿足于人一與人之間的通信方式以及需要人參與交互的通信方式，一種更加智能、更加便捷的通信方式為人們所期待。物聯(lián)網(wǎng)一種物體、機(jī)器間不需要人的參與即可完成信息交互的通信方式(Internet of things)便應(yīng)運(yùn)而生[1]。簡單的說，物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)信息采集、傳遞、計(jì)算的過程中無需人的參與交互。物聯(lián)網(wǎng)是基于傳感器技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一張張功能各異的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集與作物生產(chǎn)有關(guān)的各種生產(chǎn)信息和環(huán)境參數(shù)，可以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，準(zhǔn)確地捕捉發(fā)生問題的位置，對耕作、播種、施肥、灌溉等田間作業(yè)進(jìn)行數(shù)字化控制，使農(nóng)業(yè)投入品的資源利用精準(zhǔn)化、效率最大化[2]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信形成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)，其主要目的是采集與處理該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的信息[3]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的一個(gè)重要應(yīng)用是在溫室等農(nóng)業(yè)設(shè)施中，采用不同的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對土壤水分，空氣溫濕度和光照強(qiáng)度，二氧化碳濃度等影響作物生長的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)將室內(nèi)水、肥、氣、光、熱等植物生長所必需的條件控制到最佳狀態(tài)，保證作物的增產(chǎn)增收。 根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的研究結(jié)果表明，建立溫室可以建立適合植物生長的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)、高效。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中，從作物播種、生長，到收獲、加工及檢測分析整個(gè)過程中都離不開傳感器的應(yīng)用，幾乎覆蓋了農(nóng)業(yè)工程的全部范圍，有力地支撐了智能農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系?；谝陨险J(rèn)識，本論文設(shè)計(jì)出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)。2 系統(tǒng)方案與論證 為了能夠設(shè)計(jì)出一種成本低廉，精確度較高，連接簡單的溫室大棚控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)給出了三種方案。 方案論述 方案一：本溫室大棚控制系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心，采用加熱爐和風(fēng)機(jī)、噴灌和滲灌和熒光燈，分別為溫室大棚進(jìn)行加熱、增加空氣濕度、灌溉、增加二氧化碳濃度、人工補(bǔ)光；采用SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器、FDS100型土壤水分傳感器、SH300DH二氧化碳傳感器和TSL2561光強(qiáng)傳感器分別檢測溫室大棚的空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照度。數(shù)據(jù)采集部分使用AT89S52單片機(jī)，將隨被測各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，將被測各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示出來。主機(jī)將采集到數(shù)值在液晶1602上顯示出來，并通過無線通信模塊nRF905將信號傳到從機(jī)。此外，主機(jī)完成各項(xiàng)數(shù)值預(yù)制和報(bào)警電路模塊功能，從機(jī)完成采集數(shù)值的顯示及加熱爐和風(fēng)機(jī)、噴灌和滲灌和熒光燈的控制功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。從機(jī)AT89S52 無線通信模塊主機(jī)AT89S52空氣溫濕度傳感器加熱系統(tǒng)信號放大電路土壤水分傳感器通風(fēng)系統(tǒng)LCD顯示系統(tǒng)二氧化碳傳感器滲灌系統(tǒng)補(bǔ)光系統(tǒng)光強(qiáng)傳感器報(bào)警系統(tǒng)上位機(jī)MAX485 系統(tǒng)框圖方案二：本溫室大棚控制系統(tǒng)采用MSP430為主控制器用來總體協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)，對內(nèi)部A/D采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與內(nèi)部設(shè)定的數(shù)據(jù)庫比較，根據(jù)設(shè)定的各參數(shù)發(fā)出指令控制采光、照明、二氧化碳添加、噴淋子系統(tǒng)，來改變大棚內(nèi)部的環(huán)境，利用MSP430來驅(qū)動液晶屏，實(shí)時(shí)地顯示大棚內(nèi)外的各環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)采用兩塊 TMP275 溫度傳感器，來采集大棚內(nèi)外的溫度值。濕度和光強(qiáng)利用 MSP430內(nèi)部A/D 通過 ～ 的4個(gè)端口進(jìn)行多通道序列采集。采用TGS4160固態(tài)電化學(xué)型二氧化碳傳感器檢測溫室大棚中二氧化碳的濃度。MSP430主控制器液晶屏動態(tài)顯示溫度傳感器風(fēng)扇濕度傳感器噴淋子系統(tǒng)二氧化碳傳感器采光子系統(tǒng)照明子系統(tǒng)光敏傳感器二氧化碳添加子系統(tǒng)鍵盤輸入 系統(tǒng)框圖方案三：本溫室大棚控制系統(tǒng)的核心采用AT89C51單片機(jī)；溫度傳感器采用改進(jìn)型智能傳感器DS18B20；智能濕度傳感器采用SHT11；光照度傳感器采用GZD01型光照度感應(yīng)探頭；CO2傳感器選用紅外線氣敏傳感器。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用逐次漸近型8路A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，利用AT89C51單片機(jī)的串行I/O口，采用了專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，把TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)( PC機(jī))，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲。采用液晶顯示器(LCD)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。LCD顯示溫度傳感器AT89C51單片機(jī)二氧化碳傳感器鍵盤電路TC35i模塊數(shù)據(jù)存儲光照傳感器A/D變換濕度傳感器 系統(tǒng)框圖 方案比較方案一使用的控制器為AT89S52單片機(jī)，方案二使用的控制器為MSP430單片機(jī)，方案三使用的控制器為AT89C51單片機(jī)，沒有數(shù)據(jù)存儲功能。與方案二和方案三的單片機(jī)相比較，AT89S52單片機(jī)功耗低，性能高而且成本不高，并且完全能夠滿足本方案的需求。方案一使用SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測溫室大棚中空氣的溫濕度，方案二選擇兩塊TMP275溫度傳感器，來采集大棚內(nèi)外的溫度值，方案三選擇溫度傳感器DS18B20采集大棚內(nèi)的溫度。與方案二和方案三的溫度傳感器相比SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器不需外圍元件，直接輸出經(jīng)過標(biāo)定了的相對濕度、溫度的數(shù)字信號，無需經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，連接簡單，可以有效地解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。方案一使用FDS100型土壤水分傳感器檢測土壤中水分的含量，方案二的濕度和光強(qiáng)利用MSP430內(nèi)部A/～，方案三濕度傳感器SHT11測量濕度。與方案二和方案三相比較，方案一的FDS100型土壤水分傳感器是專業(yè)檢測土壤水分的傳感器，檢測精度高，能直接穩(wěn)定地反應(yīng)各種土壤的真實(shí)水分含量，密封性好，可長期埋入土壤中使用，且不受腐蝕。方案一使用SH300DH二氧化碳傳感器檢測溫室大棚中二氧化碳的含量，方案二使用TGS4160固態(tài)電化學(xué)型二氧化碳傳感器檢測溫室大棚中二氧化碳的濃度，但TGS4160的預(yù)熱時(shí)間較長，一般約為2小時(shí)，方案三選用紅外線氣敏傳感器檢測二氧化碳濃度。與方案二和方案三相比較，SH300DH二氧化碳傳感器具有對二氧化碳靈敏度高、受溫濕度環(huán)境影響小、穩(wěn)定性好、使用方便、成本低等特點(diǎn)。方案一使用TSL2561光強(qiáng)傳感器變送器檢測溫室大棚內(nèi)的光強(qiáng)照度，方案二的濕度和光強(qiáng)利用 MSP430內(nèi)部A/～，方案三使用GZD01型光照度感應(yīng)探頭。與方案二與方案三相比較，方案一的TSL2561光強(qiáng)傳感器采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器，體積小、安裝方便、線性度好、傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)。綜上所述，根據(jù)對三種方案的比較以及對設(shè)計(jì)的溫室大棚控制系統(tǒng)成本低廉，精確度較高，連接簡單的要求，選擇方案一來設(shè)計(jì)本溫室大棚控制系統(tǒng)。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)溫室大棚控制系統(tǒng)硬件部分主要由控制器模塊，電源電路模塊，空氣溫濕度測量電路模塊，土壤濕度測量電路模塊，光強(qiáng)測量電路模塊、二氧化碳濃度測量電路模塊，顯示電路模塊，報(bào)警電路模塊、通信電路模塊、控制電路模塊組成。 控制器模塊本設(shè)計(jì)的控制器模塊選用AT89S52，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 (1) 標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路[4]。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 (2) 在外部結(jié)構(gòu)上，AT89S52單片機(jī)和MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)相同，有三種封裝形式，分別是PDIP形式，為40針腳； PLCC形式，為44針腳；TAFP形式，也為44針腳[5]。其中，常用的為PDIP形式。 AT89S52的引腳圖 空氣溫濕度測量電路模塊 本設(shè)計(jì)選擇SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測溫室大棚中空氣的溫濕度。SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器是由Sensirion公司推出的一種可以同時(shí)測量濕度、溫度的傳感器，不需外圍元件直接輸出經(jīng)過標(biāo)定了的相對濕度、溫度的數(shù)字信號，可以有效地解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。其特點(diǎn)：溫濕度傳感器、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一個(gè)芯片上(CMOSens技術(shù))；全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出；具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能；免外圍元件；卓越的長期穩(wěn)定性；測量精度高，濕度的精度為177。3. 5，溫度的精度為177。0. 5℃(在20℃時(shí))；可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能；片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)，保證100%的互換性；電源電壓為2. 4~5. 5V[6]。引腳功能：1（GND）：接地；2（DATA）與3（SCK）：串行數(shù)字接口，其中DATA為數(shù)據(jù)線；4（VDD）：接電源。 ，SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器來檢測溫室大棚中空氣的溫濕度，并將檢測到的信號傳送給單片機(jī)的P0口，讓單片機(jī)處理。 SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器連接電路圖 土壤濕度測量電路模塊本設(shè)計(jì)選擇FDS100型土壤水分傳感器檢測土壤中水分的含量。FDS100型土壤水分傳感器引腳功能[7]如下： 紅線（VDD）：512 V電源輸入 黃線(VOUT)：電壓輸出0～ DC 黑線(GND)：地線 功能及特點(diǎn)：(1) 本傳感器體積小巧化設(shè)計(jì)，攜帶方便，安裝、操作及維護(hù)簡單。(2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不繡鋼探針保證使用壽命。(3) 外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕。(4) 土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛。(5) 測量精度高，性能可靠，確保正常工作。(6) 響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。 FDS100型土壤水分傳感器經(jīng)過LM358經(jīng)信號放大輸送至單片機(jī)P0口。 FDS100型土壤水分傳感器連接電路圖 光強(qiáng)測量電路模塊本設(shè)計(jì)選擇TSL2561光強(qiáng)傳感器檢測溫室大棚的光照度。 各引腳的功能[8]如下： 腳1和腳3分別是電源引腳和信號地。腳2，器件訪問地址選擇引腳。由于該引腳電平不同，該器件有3個(gè)不同的訪問地址。 腳4和腳6，總線的時(shí)鐘信號線和數(shù)據(jù)線。腳5中斷信號輸出引腳。當(dāng)光強(qiáng)度超過用戶編程設(shè)置的上或下閾值時(shí) 器件會輸出一個(gè)中斷信號。TSL2561光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)P0相接。 TSL2561光強(qiáng)傳感器連接電路圖 二氧化碳測量電路模塊 本設(shè)計(jì)采用SH300DH二氧化碳檢測模塊檢測大棚內(nèi)的二氧化碳濃度。該模塊主要應(yīng)用于CO2含量的檢測，具有體積小，反應(yīng)靈敏，檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)。 其主要性能參數(shù)[9]如下所示: (1)檢測范圍：03000PPM； (2)精度：03000PPM，1050℃； (3)響應(yīng)時(shí)間：小于30秒(080%)，數(shù)據(jù)更新時(shí)間:2秒； (4)預(yù)熱；90秒(25℃)； (5)輸出：模擬：03V； 數(shù)字UART：默認(rèn)波特率9600bps； (6)輸入電壓：DC7V12V； 該模塊具有模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩種方式，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的是數(shù)字通信方式，該傳感器的數(shù)字輸出腳直連到單片機(jī)的RXD管腳上。 SH300DH二氧化碳傳感器連接電路 顯示電路模塊 本設(shè)計(jì)采用LCD1602作為輸出器件，其特點(diǎn)如下： (1)顯示質(zhì)量高：由于LCD每一個(gè)點(diǎn)在收到信息后就一直保持那中色彩和亮度， 恒定發(fā)光，不需要不斷的刷新亮點(diǎn)，因此畫質(zhì)高且不會閃爍。 (2)數(shù)字式接口，與單片機(jī)系統(tǒng)的接口簡單，操作更方便。 (3)體積小，質(zhì)量輕。(4)功耗低，耗電量比其他顯示器件小得多。 LCD1602顯示電路圖 報(bào)警電路模塊本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了報(bào)警電路模塊，由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機(jī)I/O口輸出信號控制晶體管的導(dǎo)通或截止，晶體管導(dǎo)通，則蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)某個(gè)監(jiān)控參數(shù)長時(shí)間(具體時(shí)間由程序設(shè)定)超出其合理的上下限范圍時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動。