智能温室环境感知系统设计

韩鑫 王博 郭青青 刘思雨 徐柯 刘忠富

摘要：随着传感器技术和物联网技术的发展，采用现代传感器以及物联网技术进行无线传输信息，对于农业温室大棚环境监测具有一定的应用价值。本文以单片机STC15F2K60S2为核心，通过将光照强度传感器、温湿度传感器、CO2传感器整合在一个系统中，来实现对温室大棚的监测和报警，并将数据通过无线传输方式传送到监控室。通过对环境的监测与控制来提高作物产率和经济效益。

关键词：温室大棚；单片机STC15F2K60S2；温湿度传感器；CO2传感器

中图分类号：TP39 文献标识码：B

Design of intelligent greenhouse environment sensing system

HAN Xin， WANG Bo， GUO Qingqing， LIU Siyu， XU Ke， LIU Zhongfu

（College of Information & Communication Engineering， Dalian Minzu University， Liaoning Dalian 116600，China）

Abstract： With the development of sensor technology and Internet of things， using modern sensors and Internet of things technology for wireless transmission of information could have a certain application value on the agricultural greenhouse environmental monitoring. This article uses the MCU STC15F2K60S2 as the core integrating the light intensity sensor， temperature and humidity sensors， CO2 sensors in a system， to achieve the greenhouse monitoring and alarm. And transfer the data to the duty room. The research fruits could improve crop yield and economic benefit by monitoring and controlling the environment.

Keywords： greenhouse；STC15F2K60S2； temperature and humidity sensor； carbon dioxide sensor

0 引言

近年来，随着经济的迅速增长，农业的基础研究和应用技术越来正日益受到广泛重视，农业温室基础设施发展迅速，但是在自动监控方面仍存在着诸多问题。大多数温室大棚采用的都是人工管理模式，种植产品单一，在环境管理上也并未形成完备优势。相应地，智能温室环境感知系统却可以获取人工管理中精细易忽略或未能感知到的环境指数变化，而且将其作为调整温室环境各项指数的标准，从而优质发挥其理想控制实效作用。

基于此，本文即通过有针对性地将光照强度传感器、温湿度传感器、CO2浓度传感器整合在一个系统中，该系统能够对温室大棚内影响作物生长速度的重点关键项因素进行全程监控，同时还可对监测项数据提供显示和传送功能，另外也附配有报警提示，进而升级改进农业生产过程。

1 系统方案设计

温室中，光照强度、温湿度、CO2浓度对农作物的生长呈现有多方面影响，本次设计主要致力于将提高农作物的质量和产量、同时也要一并减少人力资源作为研发目的，也就是在对温室环境进行检测监控中来调节温室环境，使各项指数更适合作物生长。研究成果具体用于完善温度、湿度、光照度以及二氧化碳浓度检测技术，用以满足对温室大棚建设的只能需要。概括来讲，就是采用STC15F2K60S2单片机作为主控芯片，驱动温湿度传感器AM2302、光照强度传感器GY-30和CO2浓度传感器MH-Z14检测数据，在2.2TFT屏上显示数据和报警。

2 系统硬件电路设计

本设计用于温室大棚环境指数检测、监控和报警。硬件电路通过STC15F2K60S2单片机将各种传感器集成到一个系统中来获得各种功能实现，主要电路组成有温湿度检测电路、光照强度检测电路、CO2浓度检测电路、显示电路、报警电路、按键电路、电源电路和无线传输电路。系统硬件设计构成如图1所示。由图1可知，电路设计中各组成部分的运行原理过程可做阐释分述如下。

2.1 主控芯片电路设计

设计中，采用的STC15F2K60S2芯片是高速、可靠、抗干扰强的新一代单时钟单片机，而且运行速度较快。这是由宏晶科技生产的51单片机，工作电压在3.8～5.5V之间。晶振采用12MHz频率。在实际应用时，晶振电路中的电容需要和晶振的大小实现匹配。滤波旁路电容则是置遇主控芯片的旁边，用于过滤清除最后的干扰纹波。

2.2 电源电路设计

本文电源设计部分是直接连入220V的交流电，对电源的研发包括2个部分：交流电转直流和直流电源的处理。

其中，交流转直流电部分是单端反激式电源电路，单端反激开关电源采用了稳定性良好的双环路反馈控制系统，可以通过开关电源的PWM（脉冲宽度调制器）迅速调整脉冲占空比，从而在每一个周期内对前一个周期的输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节，达到稳定输出电压的目的。对应电路实现如图2所示。

电源电路根据系统的不同要求输出2个电压电路，分别为输出5V稳压电路和3.3V稳压电路。交流电压经过处理得到5V稳压直流电，再从5V电压中得到3.3V电压提供给主控单元电路。

2.3 温湿度检测电路设计

温湿度传感器芯片以单总线输出数据传到主控单元，并经由程序化后再发送到显示屏来展现最终结果，该过程是以AM2302为核心完成主体电路设计。其工作电压为3.3～6V，配置有单线制串行接口，主要应用于数字模块采集技术和温湿度传感技术中。设计电路如图3所示。

2.4 光照强度检测电路设计

光照强度的测量是通过核心芯片GY-30来构建设计方案。GY-30采用总线的方式而与单片机之间实现串行通信，工作电压为3～5V，并且配有内置照度数字转换器，可直接输出光照强度数字。该测量电路如图4所示。

2.5 CO2浓度检测电路设计

MH-Z14A二氧化碳气体传感器利用非色散红外（NDIR）原理对温室内的CO2浓度进行检测。该芯片工作电压为4-6V，并提供有3种输出方式：模拟电压输出、PWM波形输出和UART输出。MH-Z14A内置温度传感器用于温度补偿。实际电路如图5所示。

2.6无线传输电路设计

采集到的环境各项指数需要通过无线传输模块传送到接收室，完成无线传输的芯片是NRF24L01。该芯片工作电压为1.9～3.6V，其传输速率可达2Mbps，传输速度非常快。NRF24L01可以和各种型号的单片机配合使用，软件编程简单便捷。具体电路如图6所示。

3 系统软件设计

系统研发时，软件设计包括2部分：发送端设计和接收端设计。发送端为重点设计模块，不能能够定制支持传感器数据的采集、处理和显示，而且通过无线模块传输，还具有报警功能。接收端则是规划完成无线接收及显示功能。

3.1 发送端程序设计

当发送端初始化运行结束后，单片机将驱动CO2浓度传感器、温湿度传感器、光照强度传感器采集数据，并将计算后的数据反馈给单片机进行处理。系统采集到数据会产生一个中断信号，从而转入LCD的初始化设置。单片机处理后的数据就会发送到TFT显示屏，还会经由无线传输模块发出。用于发射的模块在发生初始化之后，则会接收到单片机发来的数据并存入数组tx_buf，NFR24L01模块接收后发送该数组内的数据。并且在判断数据超出范围后即会发出报警。发送端的软件程序流程如图7所示。

3.2 接收端程序设计

接收端程序设计主要是NRF24L01无线传输的接收，系统初始化配置NRF24L01信道工作频率2.4GHZ，发射速率为1MHZ。接收模块进入接收数据的状态，通过读取状态寄存器来判断是否接收到数据。如果未接收到数据，显示屏显示预设的固定值；如果已接收到，则显示正在接收的数据。无线接收程序流程如图8所示。

4 结束语

在本设计中，使用传感器检测温室大棚内的温湿度、光照强度和CO2浓度，并通过无线传输传送数据，再运用显示屏执行结果展示。整个过程即是依据目标任务提出了具体的设计方案并集结了一系列硬、软件关键技术，从而最终实现了温室环境系统的有效监测。不仅做到了通过数据的直观显示，而且同时配有蜂鸣器报警系统，因而本次功能设计可以成功应用于温室大棚的智能检测。

参考文献：

[1] 沈勇，蒋文雄，段勇. 基于nRF24L01的通用无线通信模块设计[J]. 电子设计工程，2013，21（18）：84-86.

[2] 时志云，盖建平，王代华，等. 新型高速无线射频器件NRF24L01及其应用[J]. 国外电子元器件，2007（8）：42-44.