植物扦插环境实时监测系统设计

赵 旭 东

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)



【现代应用技术研究】

植物扦插环境实时监测系统设计

赵 旭 东

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)

设计了一种促进植物扦插生根的监测系统。硬件方面，采用温度传感器、光敏传感器及湿度传感器获得植物生长环境的相关信息，传感器采集到的信息(模拟信号)经A/D转换模块转换成数字信号传送给单片机进行分析处理；软件方面，采用C语言进行程序设计。该系统可根据不同地域、不同时节自由选择最合适的温度、湿度以及光照进行人为设置，从而使得植物生长条件在一定的范围内可控，达到对环境自动调控的目的。

扦插环境；传感器；温度；光照强度；土壤湿度

扦插是植物繁殖最常用的方法之一[1]，过去农户往往通过播种扦插来获取新的农作物植株，这种生产模式虽然可行，但却容易受到如温度、光照、湿度等自然因素的影响，生产周期较长。而如今随着计算机技术的日益成熟,计算机已经被广泛地应用于农业、工业以及生产生活的各个领域。在一些植物繁殖过程中，利用人工调控系统调节植物生长环境，有效地提高了农作物的产量，减少了生产成本[2]。因此，对于这类系统的设计，在农业生产过程中具有重要意义。

早在20世纪70年代初期，国外已经开始把计算机运用到生态环境控制方面。美国作为计算机技术发展的起源地，同时也是最早将环境系统调控技术运用于农业生产中的国家之一，实现了人工智能化调控植物生长环境中的温度、湿度及光照强度等。以色列利用环境调控系统有效地在沙漠之上种植蔬菜及其他经济作物。我国将计算机技术应用于农业生产始于20世纪70年代末期，到20世纪80年代开始应用于温室控制与管理方面，并在短时间内进行了广泛的推广，在广大城镇及农村的大规模农业生产中普及。

通过对植物环境中土壤湿度、温度等环境因素进行深入的分析和研究，设计一种基于单片机作为控制核心，控制温度、光敏、湿度传感器，配合其他的外围电子元件，构成一个具有可操作性的调控系统，进而对植物生长环境进行人为控制，最终达到调控植物生长环境的目的。温度、光照强度传感器所采集的数据，及时通过显示屏反映给工作者，让人们可即时对植物生长内部环境中的温度、光照强度加以控制，从而降低人工遮阳、补光，或人工增温、降温等冗余生产成本。

1 总体设计方案

采用单片机进行对温度、光照强度、湿度等环境参数进行控制与调控。通过各种传感器采集温度、光照强度和湿度数据，将采集到的模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号传送给单片机进行分析处理，单片机发出相应的控制指令在显示屏上实时向工作者显示温度、湿度数据。工作者可采用按键方式对控制阈的值进行人为设定[3]。单片机可对当前采集的土壤湿度信号进行判断，是否属于设定阈值之内。反之，单片机控制继电器动作并运行外部水泵对土壤进行加湿，当湿度达到最大阈值时停止继电器动作。以此达到智能化控制植物扦插环境恒定的目的，保证了植物的成活率。系统硬件部分由单片机、温度采集电路、光照强度采集电路、土壤湿度检测电路、按键电路、显示模块及驱动电路组成，系统总体构成如图1所示。

图1 系统总体构成图

植物扦插环境监测系统设计能实现以下功能：(1)实时监测显示当前环境的光照强度;(2)实时监测显示当前环境的温度；(3)实时监测显示当前环境的土壤湿度；(4)可通过按键设置湿度上下阈值；(5)调控土壤湿度在设定的阈值范围内。

2 硬件电路设计

2.1 核心控制器

单片机是一种微型计算机系统。AT89C52是一款具有功耗低、体积小、低电压、可靠性高等优点的高性能8位单片机[4]， 其核心作用是用来将采集到的数据进行加工处理，然后对其驱动电路发送相应的控制指令。其内部结构图如图2所示。

图2 AT89C52内部结构图

2.2 温度采集电路设计

温度采集电路模块主要采用DS18B20温度传感器。DS18B20测量温度时采用特有的温度测量技术，其具体工作原理为：DS18B20对低温度系数的振荡器产生的时钟脉冲信号进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数的振荡器来决定[5]。测量结果存入温度寄存器中，以16进制的补码形式读出。在温度采集电路设计中，DS18B20温度传感器的引脚DQ与单片机P1.1连接，电路如图3所示。

图3 温度采集电路电路图

2.3 光照采集电路设计

光照是植物生长的重要因素，因而进行光照采集时电路采用了BH1750FVI光照传感器。该传感器工作原理是当外部光线照射在光敏二极管时，改变芯片内部电流，通过由AMP集成运算放大器将PD电流转换为PD电压，ADC模数转换芯片再将电压转换为数字信号，逻辑+电路把ADC转换过后的数字信号通过SCL、SDA口分别送给单片机的P1.2，P1.3端口，经单片机对数据进行分析处理。BH1750FVI传感器内部结构如图4所示。

图4 BH1750FVI光照传感器

图4中PD为光敏二极管，AMP为集成运算放大器，ADC为模数转换获取16位数字数据。逻辑+ I2C界面提供光强度计算和I2C总线接口。OSC为内部振荡器时钟，作为内部逻辑时钟。BH1750FVI 光照强度传感器可适用于两线式串行总线接口。

光照传感器为数字式，可直接与单片机的I/O口连接传递信号，光照采集电路如图5所示。

图5 光照采集电路图

2.4 土壤湿度检测电路设计

土壤湿度检测电路的核心部件采用FY-H2湿度传感器，FY-H2土壤湿度传感器利用电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数，从而可以得到土壤真实水分含量，具有测量快速准确、精度高、不受土壤中化肥和金属离子影响等特点。 FY-H2土壤湿度传感器探头采集土壤湿度模拟量，采集到的数据经DATA端口传输至AD模块的GND(芯片参考0电位)，SCK时钟脉冲传输给AD模块CH0(模拟输入通道0)。ADC0832芯片将接收到的模拟量转换为数字信号D0端口传输给单片机的P1.4端口，单片机接收到数据之后进行分析处理，并在显示屏上显示。检测电路如图6所示。

图6 检测电路

2.5 驱动电路

单片机工作的电压一般为5 V，甚至更低，并且驱动电流在4 mA级以下，无法利用单片机直接驱动负载。设计中采用继电器驱动电路用于驱动负载(水泵)工作。其具体工作原理为：当单片机的P1.0端口发送一个低电平信号，三极管导通，继电器通电工作，促使水泵运行，驱动电路如图7所示。

图7 驱动电路

2.6 辅助电路

为了保证整个系统的稳定运行，系统中分别使用了显示模块、按键电路、驱动电路等辅助电路，具体见参考文献[6-7]，这里不再一一赘述。

3 系统软件设计

图9 系统软件设计流程图

系统的软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能的扩展，软件部分采用C语言进行编写。温度、湿度及光照传感器将当前数据转换成二进制值通过接口传送至单片机，单片机将采样芯片送来的数据进行优化补偿以获得精确实际采样值，然后根据需要将其送到液晶显示器显示。

系统在接通电源后，启动DS18B20温度传感器、湿度传感器以及液晶显示屏进行初始化。读取存在湿度上下限报警值。进入主循环程序首先对按键是否触发进行判断，如有按键触发则进入设置上/下限报警值界面设置相应的上/下限报警值；而后访问湿度采样芯片获取采样值经补偿处理转换成精确数据。接着判断当前湿度值是否超限，若湿度超限，则驱动蜂鸣器报警，直到环境的湿度下降到报警值以下则停止报警。反之，则继电器闭合，驱动水泵进行加水。系统软件设计流程如图9所示。

4 结语

采用人工智能调控环境温度、湿度、光照强度来模拟最适合植物扦插环境的方法，设计了一款便携式植物扦插环境检测系统。通过单片机控制外部电路工作实现了对植物扦插环境实时监测的目的。经调试，单片机能及时判断出当前土壤湿度是否处于最适合的湿度阈值，当采集的湿度值小于最小阈值，能借助于水泵运转为土壤加湿，反之则停止水泵工作。与传统温棚温度控制系统相比，除了增加了加湿模块使系统能够自动且稳定地调控土壤湿度外，并且增加了光照检测和湿度检测模块，能实时通过显示屏向管理者反映当前环境状态，管理者可根据当前情况，及时采取增减光照、人工控制温度等措施。

[1] 郑健，郑勇奇，苑林，等.金露梅扦插繁殖技术研究[J].林业科学研究,2007,(5):36-38.

[2] 吴立新.实用电子技术手册[M].北京:机械工业出版社，2002.45-55.

[3] 张迎新.单片微型计算机原理[M].北京:电子工业出版社，2004.41-48.

[4] 刘攀,俞杰.基于单片机的温度测控系统[J].兰州交通大学学报,2005,(12):103-106.

[5] 赵娜,赵刚.基于51单片机的温度测量系统[J].微计算机信息,2007,(1):146-148.

[6] 谭浩强.C程序设计[M].第2版.北京:清华大学出版社，1999.73-122.

[7] 戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006.11-20.

【责任编辑 牛怀岗】

Design of Real-time Monitoring System for Plant Cutting Environment

ZHAO Xu-dong

(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University,Weinan 714099, China)

A system for monitoring plant rooting has been designed. For obtain information about plant growth environment, temperature sensor and light sensor and humidity sensor have been used as hardware. Information, analog signals collected by the sensors, will be converted to the digital signals by an A/D converter module to single-chip microcomputer for analyzing. C programming language has been used as software. To achieving the purpose of environmental automatic regulation, this system could choose the most appropriate temperature and humidity and artificial light according to different regions and different time, which makes the plant growth controlled within certain conditions.

cutting environment; sensor; temperature; light intensity; soil moisture

TP274

A

1009-5128(2016)19-0044-05

2016-07-03

陕西省科技厅项目：基于侧边抛磨型高双折射光子晶体光纤的多参量气体传感研究(2016JQ6031)；渭南师范学院自然科学基金项目：分布式电源接入对渭南配电网继电保护的影响研究(16YKS014)

赵旭东(1982—)，男，山东菏泽人，渭南师范学院数理学院讲师，工学硕士，主要从事新型功能材料与器件开发研究。