阳台农场环境控制系统设计

梁 鑫，张鑫宇，史颖刚，赵继政，张 磊

(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100)

随着经济、社会和科技的发展，观赏农业、休闲农业、都市农业，成为农业的最新发展领域[1-2]。屋顶农场、室内农业、阳台农业、墙体农业，是都市农业的主要研究内容[3-5]，其中，阳台农场在城市居民中广受欢迎[6-7]。目前，大多数阳台农场仍主要靠人工管理，需要花费大量时间和精力。因此，笔者设计开发了一款成本低、功能全的阳台农场环境控制系统。

1　系统整体设计

根据阳台农场的目标功能，其自动控制系统包括：温度监测及控制模块、空气湿度监测及控制模块、土壤湿度监测及控制模块、光照强度监测及控制模块、按键模块、LCD显示模块。系统整体框架图如图1所示[3-4,6-7]。选用SCT89C52单片机核心控制芯片，选用DHT11数字输出式温湿度传感器检测空气温度和湿度，选用YL-69传感器检测土壤湿度，选用BH1750光照传感器检测光照强度，传感器采集的环境信息后，通过LCD1602液晶显示屏显示。同时，传感器采集数据传输到主控芯片中，与设置的环境参数阈值进行比较。当某环境参数值超过阈值时，LED灯亮，进行报警提示，控制外置设备启动，进行调控。系统选用植物生长灯增加温度和光照强度，选用风扇降低温度和空气湿度，选用加湿器增加空气湿度，选用水泵增加土壤湿度，直至该参数值达到合理范围后，LED灯关闭。

图1　系统整体框架Fig.1　System framework

2　系统电路设计

温湿度传感器DHT11的通信方式为单总线方式，DATA口与单片机的P1.0连接，将测得的空气温湿度，以数字方式传送给单片机。土壤湿度传感器YL-69的电极片，可以使湿度信号转变为高低电平数字信号，土壤湿度越大，获取的模拟量值越小。光照传感器BH1750共有5个端口，用时只需接其中的4个，SCL时钟线和SDA数据线分别连接到单片机的P1.3和P1.4上，用于传输数据。数据显示，采用LCD1602，其与单片机的P0口连接，接收单片机处理后的参数数据，显示当前环境的空气温度和湿度值、土壤湿度、光照强度以及按键设定的各参数阈值[8-9]。

系统主控电路采用SCT89C52的最小系统，这里不再赘述。用于改变参数阈值大小的按键，分为设置、增加、减小3个按键，分别与单片机的P3.2、P3.3、P3.4连接。设置键用来切换要改变的阈值的种类，增加键和减小键用于阈值设置。其中，按键时，光照强度阈值每次改变50 lx，温度阈值每次改变1 ℃，空气湿度和土壤湿度每次改变1%。

继电器用于控制植物生长灯、风扇、加湿器和水泵的开关，其电路原理如图2所示。P2是KF128-2P端子，用来连接外设。LED用于参数值不符合阈值范围时的报警。

图2　继电器电路Fig.2　Relay circuit

3　系统软件设计

系统工作的整体流程如图3所示，单片机读取参数检测电路数据，实时显示在LCD1602上，检测按键是否按下，如果是，进入按键所代表的功能程序中去，然后再进行参数判断，比较检测数据与设定阈值，判断是否超出设定阈值，若超出，则控制外接设备启动，调控各参数，否则继续检测。

图3　系统软件流程Fig.3　System software flow

LCD1602显示程序如图4所示。LCD是分块的8×8点阵，显示时根据坐标进行定位，再从字库里提取所需要的符号进行显示，由定位显示结合按键控制。

图4　LCD1602显示程序流程Fig.4　LCD1602 display program flow

键盘扫描程序流程如图5所示。Key1为设置键，根据按键次数，分别对应8种按键模式，模式功能如表1所示。当按下Key1的次数大于等于8，次数计数变为0，返回按键模式0。Key2对应增加键，使相应的阈值增加；Key3对应减小键，使相应的阈值减小。

图5　键盘扫描程序流程Fig.5　Keyboard scanning program flow

编号No.模式Mode功能Function10显示当前光照强度、空气湿度、空气温度、土壤湿度的值21温度上限阈值可改变32湿度上限阈值可改变43温度下限阈值可改变54湿度下限阈值可改变65土壤湿度上限阈值可改变76光照下限阈值可改变87土壤湿度下限阈值可改变

参数控制模块程序流程如图6所示。用户根可据植物生长的要求，在单片机的内部存储器中设定4个参数阈值，系统检测数据将会与预设阈值进行比较，超出阈值范围，则进入报警调控模式，进行相应的调控。外界环境处于植物的生长区间内时，植物处于最佳生长环境。

图6　参数控制模块程序流程Fig.6　Parameter control module program flow

报警调控及外置设备控制的中断程序流程如图7所示。报警调控，包括LED灯的亮、灭，外置设备的启动与停止。4个报警灯，分别对应空气湿度、空气温度、土壤湿度、光照强度4个参数，当传感器数值不满足阈值时，报警模块及外部设备启动，并开始参数调控，直到报警信号解除。

程序中的定时器中断0服务程序，是为了在环境参数异常的时候，控制外置设备进行调控。检测进入中断后，首先关闭总中断和外部INT0中断，然后判断是否有来自传感器的低电平信号，若是，则开启定时器0，结束此次中断，否则返回继续检测。

图7　外置设备控制中断程序流程Fig.7　External device control interrupt program flow

最终设计的阳台农场环境控制系统如图8所示。

图8　阳台农场环境控制系统Fig.8　Balcony farm environment control system

4　结语

该研究设计的阳台农场环境控制系统可以实现空气湿度、空气温度、土壤湿度、光照强度的数据监测、显示及自动调控。系统可检测21%～91%内的空气湿度，误差范围±5%；0～50 ℃的空气温度，误差范围±2 ℃；光照测量范围为1～65 535 lx；土壤湿度的测量范围为1%～100%。该设计操作简单、成本低廉，使普通人就可以实现阳台农场管理，并实现科学种养殖。但系统在功能的多样性和自动化的程度上仍有很大的不足，比如没有远程调控功能和除病虫害的功能，这些缺点将在后续的研究中进行改进。

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