农用温度监测及报警系统的研究与设计

郭昊坤

（江阴职业技术学院 电子信息工程系，江苏 江阴 214405）

0 引 言

随着科技水平的不断提升，人们对生活质量的要求也随之升高，希望一年四季都能享用自己喜爱的菜肴，这对新农村建设和农业现代信息化建设提出了新的要求。而现代农业又同时面临着农民逐渐减少及老龄化等问题[1,2]。现代农业的发展迎来了新的挑战和机遇，如何保证蔬菜、水果、牲禽等的合适培养环境成为重要问题之一。

为保证各类农业生产的适宜环境温度[3,4]，有必要设计一种农用恒温控制系统。又因为近年来恶劣气候频繁出现，在极其恶劣的坏境下很多农业设备无法正常运转，因此有必要在系统中加入报警模块，以便长时间达不到合适温度时进行报警，提醒农民采取应急措施，减少损失。

1 总体方案

本文主要设计了一种农用恒温控制及报警系统装置，装置正常工作时可实时监测外界温度，与所设定的阈值及允许误差范围相比较，若误差超出允许范围则控制相应设备运行以便调节温度，直至误差调节到允许范围后停止，且当温度在一定时间内无法达到允许误差范围内时报警，提醒农民查看相关设备是否损坏，以便及时采取应急措施，减少损失。装置整体运行如图1所示。

图1 装置整体运行框图

2 关键模块设计

装置主要包含单片机控制系统、电源模块以及报警系统三部分。

2.1 控制系统

单片机控制系统主要用于监测实时温度，将相关温度信号转化为电信号，与所设定的阈值及允许误差范围相比较，向温度控制设备发送运行或停止命令。若长时间达不到正常温度，则报警系统报警。单片机控制系统如图2所示。

图2 单片机控制系统框图

系统采用PID控制器进行自动调节控制，PID控制器结构简单、容易实现、自动调节效果较好，已被广泛应用于工业控制中，其控制结构如图3所示。

图3 PID控制器结构图

按系统框图设计其具体电路，如图4所示。

2.2 电源模块

由于农村地理位置相对空旷，阳光照射条件较好，可采用太阳能光伏电源与锂电池相配合的电源模块[5,6]来给系统供电，其结构如图5所示。

图4 单片机控制系统电路图

图5 电源模块结构框图

RT9525充电管理芯片及其外围电路可实现对所述单节锂电池的充放电管理，当芯片检测到输入管脚（VIN）的电压较大时，将给电力设备供电，以及为锂电池充电；当芯片检测到VIN管脚的电压仅够向电力设备提供电能时，优先给装置供电，停止对锂电池充电；当芯片检测到VIN管脚的电压小于装置供电时，RT9525充电管理芯片控制锂电池放电给装置供电。整个运行过程可使装置得到安全稳定不间断的电能[7-10]。

2.3 报警系统

报警系统主要由RF射频模块及后台上位机构成，系统在正常工作无需报警的情况下，射频模块每隔15分钟便利用ZigBee协议发送温度数据至后台上位机并保存，当超过1小时温度还无法达到规定误差范围时，射频模块在发送温度数据的同时激发后台上位机相关程序报警，提醒农民采取应急措施。

3 实例验证

将设计的装置置于某蔬菜大棚进行实验验证，设定标准温度阈值15℃，误差不超过0.5℃，运行一段时间后，读取后台上位机所保存的温度数据，图6所示为有代表性的两装置在某一天24小时内的温度数据，其中横坐标为时间，纵坐标为温度。

如图6（a）所示，装置运行正常，且温度控制设备未损坏，温度一直控制在允许误差范围内，超出误差范围后也可迅速调节至标准范围内，无报警记录，装置正确有效。如图6（b）所示，装置运行正常，但温度控制设备在某一时间出现故障，查报警数据后发现温度在1小时内未达到标准，有报警记录，经简单检查，发现温度控制设备电源出现故障，抢修1小时后恢复正常，装置正确有效。

图6 蔬菜大棚温度监测数据

4 结 语

随着科技水平的不断提升，人们对生活质量的要求也随之升高，这对新农村建设和农业现代信息化建设提出了新的要求。本文设计了一种农用恒温控制及报警系统装置，装置在正常工作时可实时监测外界温度，与所设定的阈值及允许误差范围相比，若误差超出允许范围则控制相应设备运行以便调节温度，直至误差调节到允许范围后停止运行。若温度在一定时间内还达不到允许误差范围，则报警，提醒相关设备可能由于天气等原因损坏，应及时采取应急措施，减少损失。正常运行时，装置能实时记录温度数据，未出现误报警现象，当温度控制设备出现故障时，装置能正确发出报警信号。经实验验证，所设计的装置正确有效，能满足农业生产需求。

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