水稻育种环境测控系统的设计

陆彦如，魏海峰

(江苏科技大学电子信息学院，江苏 镇江，212003)

国内外在农业生产环境检测方面的研究已有很多成果，且在农业生产中使用。刘冠雄等[1]根据环境温度、湿度等相关因子，设计了温室的结构以及加热加湿装置，但未涉及到降温、除湿等，有待进一步优化。杨正君[2]针对机房设计了一种基于GPRS的自动温湿度控制系统，但风机、空调设备较大，耗能还是较大。宁欣等[3]和邵鹏等[4]介绍了如何监测和采集温湿度，但未提及如何进行相关处理与改善。田芳明等[5]介绍了基于PIC的温湿度采集系统，采用无线传输方式，降低了功耗，节约了空间，但没有很好的保证系统的抗干扰性。一些专家针对温室大棚进行了环境因素的监测研究，但都未具体说明针对采集结果应如何采取措施[6～8]。王海昌等[9]介绍了以PS1016为核心的日光温室综合生态环境自动化调控系统，新颖但管理技术难度还是较大。还有一些专家分别采用不同技术与方法，研制了具有温度自动控制、测量等功能的系统[10～13]，具有较强的稳定性、可靠性，但只涉及对温度的监控，未进一步对其它环境因素进行研究。

水稻育种的整个过程中，对环境要求较为苛刻，其关键就在于控制温湿度。因此，笔者综合运用单片机技术、多传感器信息融合技术、自动控制技术、无线通信技术、计算机技术等新技术，设计一种用于水稻浸种催芽的、新型的环境温湿度多路测控系统，满足当今农业生产的需求，弥补以往水稻在浸种催芽过程中温湿度难以控制或精度不高的缺点，以期缩短育种时间、促进种子发芽、提高生产效率。

1 系统总体设计

系统的总体设计主要包括：一是系统温度和湿度采集端设计，二是系统数据上传端设计。总体设计大致又可分为三大部分：进行温湿度采集的从机部分，与从机通信的主控机部分，与主控机相互传输数据的上位机部分。其中，每个从机都有属于自身的一个唯一的地址，都先通过无线通信(多对一形式)与主微控制器实行温湿度值的传输，主微控制器再和上位机通过串行口实行温湿度的传输。

图1为水稻育种房的温湿度采集端框图。本系统侧重于对水稻育种环境中的温度和湿度进行稳定的控制，在这个系统(从机部分)中又分为两部分：输入和输出。其中，输入部分主要是传感器对温湿度的采集，初始值的设定；而输出部分主要是对采集到的温湿度进行显示，指示灯、蜂鸣器的响应，相应继电器的动作反应。因为输出量反馈到了输入端，对输入端产生影响，所以，这是一个闭环控制系统。

图1 水稻育种环境测控系统的温湿度采集端框图

如图2所示，数据上传端，即主控室。温湿度采集端电路从测量点采集数据，然后通过无线传输到主MCU，主控单片机发送控制指令，同时对测量结果进行整理并发送给上位机，从而实现实时的温湿度的检测、调节和控制。

图2 水稻育种环境测控系统的数据上传端框图

2 系统的硬件设计

硬件设计分为温湿度采集端设计和温湿度上传端设计两大部分，都以单片机STC89C52最小系统为核心，数据采集部分需要在STC89C52最小系统外围再配备上温湿度采集电路、键盘输入电路、显示输出电路、无线接收电路、报警电路，数据上传部分需要在STC89C52最小系统外围再配备上无线发送电路和串口通信电路。

设计过程：温湿度传感器DHT11采集并检测环境中的温湿度后传输给单片机STC89C52，然后把所采集到的数值做处理。一方面，送达液晶显示屏LCD12864进行显示，并与事先设置值比较，如采集到的数据不在设定的范围内，系统中的蜂鸣器鸣叫，指示灯点亮，与此同时对应的装置(加热电阻丝，降温风扇，加湿器，除湿器)执行自身功能来调整环境的温湿度，直到环境参数恢复到设定值为止；另一方面，利用无线通信模块，通过nRF905芯片接受数据，再把温湿度值传送到主MCU，然后经由串行口传递到PC机。

3 系统的软件设计

软件设计分为温湿度采集端程序设计和数据接收端程序设计两大部分，具体分为8个模块。采用了C语言与汇编语言结合的方式，互相弥补不足，在开发环境方面，采用Keil uVision3编译器。

3.1 主程序模块设计

首先使单片机系统初始化，然后通过调用温湿度测量、键盘、液晶显示、无线收发等子程序模块，来完成育种环境中温湿度的测量、显示与处理，然后实时的发送给数据接收端，若参数值不在设定范围内则输出执行控制信号(图3)。实现主控机调用无线通信子程序接收来自温湿度采集端发送来的温湿度值，以及调用串口通信子程序把数据上传到上位机(图4)。

3.2 温湿度测量模块设计

通过DHT11采集环境多个测量点的温湿度，实时传递给分控单片机，以引起液晶显示屏的显示、执行继电器的动作、无线通信的接受与传输等。

3.3 键盘模块设计

通过按键显示相关设定值、检测值和实时的时间，按“1”键1次可更改温度设定值(按“3”键实行加的功能，按“4”键实行减的功能)，按“1”键第2次可更改湿度设定值(同上)，按“2”键显示测量的实时温湿度值。

图4 水稻育种环境测控系统的数据上传端主程序流程

3.4 液晶显示模块设计

通过调用时钟子程序以及温湿度测量子程序显示相应时间、温湿度设定值、温湿度测量值等。

3.5 报警模块设计

结合按键程序，通过按键程序设定温湿度初始值，报警程序为设定值上下的一个范围之外的报警(本次设计中设定上、下波动均为10)。测量得到的温湿度参数值位于设定范围内则相关装置不产生任何输出控制动作；测量得到的温湿度参数值超出范围，即环境参数值异常，则蜂鸣器发出警报声并且伴随着相应指示灯发光。

图3 水稻育种环境测控系统的温湿度采集端主程序流程

3.6 时钟模块设计

由于温湿度检测点超过30个，即使在同一环境下也会有不同情况发生，本次设计的时钟信息包括年月日时分秒，并且时钟程序函数用于主程序的调用。

3.7 执行输出模块设计

当测量的温湿度值超出设定的初始值，相应的装置开启工作模式(升温、降温、加湿、除湿)。

3.8 通信模块设计

无线通信：实现分MCU与主MCU的通信，即接受数据采集端(育种房)的信息然后发送到主控机。

串口通信：采用异步串口通信方式，在数据上传端中完成主控单片机与PC机的数据传输(利用RS- 232接口，将数据按顺序逐位传送给PC机)。

4 实验测试

4.1 系统调试

通过示波器去观察分析相关波形以排除故障，监测结果如图5所示，以得知继电器工作状态。当检测到的温湿度超过或低于设定的初始值，继电器进入工作状态，常开触点闭合。

4.2 实验结果

接通电源，按下开始按键，进入初始界面，延时几秒后，可进行温湿度初始值设定，按下“1”键，按1次可更改温度设定值，按第2次可更改湿度设定值，期间，可按“3”键、“4”键进行温湿度设定值的加减操作。

例如，设定温度初始值为38 ℃，湿度初始值为39%，时钟初始值为01:13:30。然后按下确定键(“2”键)，切换显示界面，显示检测到的实时温湿度，当温湿度值不在设定范围内则报警系统开启，并且继电器开始工作，来控制相应装置执行自身功能使参数值恢复到初始设定值。如图6所示，检测到实时湿度为41%，温度为31 ℃，当湿度高于设定值，温度低于设定值，则开启除湿、加热模式，而且因为测量值均在设定值±10以内，所以报警系统未开启。

图5 水稻育种环境测控系统的继电器工作界面 图6 水稻育种环境测控系统的实验结果显示

5 结 论

本次设计围绕水稻育种环境测控系统做相关研究，以单片机STC89C52为控制核心，结合DHT11温湿度传感器，实现了对温湿度进行实时数据采集并显示，当采集到的参数值不在设定范围内系统做出报警反映并采取相应控制措施的功能。该设计具有较强的实时性、抗干扰性、可靠性，在一定程度上提高了经济效益，具有较好的农业生产价值以及市场前景。

[1] 刘冠雄,李爱传.水稻浸种催芽温室单片机控制系统的设计[J].民营科技,2015(6):227.

[2] 杨正君.基于GPRS的温湿度控制系统设计[J].河南科技学院学报,2012,40(6):72- 77.

[3] 宁欣,苗青林,李晓敏.基于单片机的环境监测系统设计[J].河南科技学院学报(自然科学版),2008,36(4):75- 77.

[4] 邵鹏.基于单片机的空调温度测试测控系统设计[J].赤峰学院学报(自然科学版),2017,33(4上):30- 31.

[5] 田芳明,杨丽茹,金松海,等.基于PIC单片机的分布式无线温湿度采集系统[J].黑龙江八一农垦大学学报,2011,23(1):79- 82.

[6] 王巍,谭峰.温室大棚监控系统的研究与设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2012,24(4):76- 79.

[7] 李敏,曾明,孟臣,等.温室大棚单片机数据采集系统设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2003,15(1):47- 51.

[8] 张万里,高伟.AD574在大棚温室环境检测系统中的应用[J].长春大学学报,2014,249(12):1 648- 1 651.

[9] 王海昌,杨莉.PS1016单片机在日光温室综合生态环境自动化调控中的应用研究[J].山西农业大学学报,1998,18(3):274- 277.

[10] 周正,梁春英,刘坤,等.基于Wi- Fi的水稻浸种催芽温度监控系统研究[J].黑龙江八一农垦大学学报,2016,28(4):105- 110.

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[12] 王宪伟.多点温度无线测量系统的设计[J].长春大学学报,2005,15(4):11- 13,30.

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