温室大棚精细化管理系统

贾亚娟　谢国坤　王亚亚

【摘 要】本设计采用TI公司（德州仪器Texas Instruments）单片机MSP430G2553作为控制核心，实现了温室大棚的精细化管理。系统主要包括传感器模块、液晶显示模块、键盘模块、直流电机驱动模块等。系统的应用使温室大棚人工管理这一复杂的监测任务变得简单、准确化。该装置集多项功能于一身，首先，具有简单的控制键盘和可视化的液晶显示模块，便于参数的设定与人机交互；其次，具有丰富的采集处理单元，可实现对大棚内温度、湿度、光照强度等信息采集和反馈；最后，还具有智能控制功能，能根据实时采集的参数决定是否执行灌溉、通风或是改变光照度等操作，确保农作物生长在最佳环境。

【关键词】MSP430G2553；温室参数采集模块；温室智能控制

【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）03-0109-02

0 引言

温室大棚监测系统的设计思路是继承传统农业发展的优势，针对农业自身特点及现实存在的问题进一步完善的新性能系统。该系统将智能化信息处理功能应用于农业生产，通过采用MSP430，实现对大棚内各种信息的采集和反馈，通过光照强度模块、温度模块、土壤湿度模块、各种驱动模块及液晶显示屏等模块来对大棚进行控制与监测，使人工管理这一复杂的监测任务简单化、准确化。

1 系统方案

1.1 系统总体方案

本设计使用MSP-EXP430G2 LaunchPad作为核心板，MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。

温室大棚精细化管理系统以MSP430G2553单片机为核心，扩展了一个光照强度模块、温度模块、土壤湿度模块、各种驱动模块及能够给予用户观察的TFT液晶显示屏，充分合理地利用了单片机上的各个硬件资源。我们通过4个按键来控制系统的各项指标显示状况，它们分别为移位键、调整键、功能键和确定键。系统总体方案框图如图1所示。

1.2 主控制系统

主控制系统的硬件主要是以MSP430G2553为核心芯片，它具有较多的中断源、稳定的系统工作、丰富的片上外围模块、强大的处理能力及有基于USB的集成型仿真器，充分利用这些资源使得我们的软件得到很好的开发要求。

考虑到单片机的I/O接口不足的问题，本设计中就合理利用外接低频晶振上的2个接口作为外扩的I/O端口。板子自带一个仿真器，上面接有一个USB接口，可以将外部电压转化成5 V电压，在板子上的各个I/O端口，如若导通，则均为3.3 V。

1.3 参数采集

该系统在数据采集时，使用了三大模块，分别为光照强度传感器模块、LM35温度传感器模块、土壤湿度传感器模块。各个模块也用到了各自不同的单片机上的管脚，光照度检测用的是P1.6，温度传感器是P1.2，濕度传感器是P1.7。三大模块同时构成，形成对大棚全方位的检测，使得大棚内部详细信息能被客户所掌握。

1.3.1 光照强度模块

设计系统中用ADC采样出来的AD_Result*2500/1023作为光照度检测的最终结果，我们充分利用到了硅光电池三大特性中的光照特性，即在不同光照强度下，硅光电池的短路电流和开路电压的大小不同。光照强度传感器模块如图2所示。

1.3.2 温度传感器模块

LM35是一种得到广泛使用的精密集成温度传感器，其输出电压与当前温度（摄氏度）成正比，由于它采用内部补偿方式，所以输出可以从0 ℃开始。LM35工作电压为4～30 V，在上述电压范围内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。其输出电压和温度呈良好的线性关系，无需外部校准，Vout=10.0 mV/℃×T℃，其中T为当前温度。

1.3.3 土壤湿度传感器模块

在作品中，我们自制了一个土壤湿度传感器，该传感器只需要一个FC-28探头和一个510 kΩ的电阻，利用电阻和土壤湿度的正相关关系，可以测得在土壤中不同湿度情况下的湿度所占的百分比。

1.4 控制调节

该系统通过电机驱动、水阀驱动和风扇驱动3个模块实现大棚的控制与调节。每个驱动控制不同的电路模块，并且实现不同的功能，使大棚里的农作物健康成长。

1.4.1 电机驱动电路

采用标准逻辑电平信号控制，具有2个信号输入端，分别接在单片机2个不同的I/O口上，从而控制电机的正转和反转，同时还有一个电源信号线，只要给驱动电路加上5 V的电压，该驱动电路就可以正常工作（如图3所示）。当光照强度超过了所设定的农作物需求值时，电机反转使得卷帘合上，达到遮光的目的。

1.4.2 水阀驱动电路

该系统所采用的是DC12V常闭式电磁水阀，由于单片机管脚输出的逻辑电平是0～3.3 V，因此中间使用了由三极管和电磁阀继电器HK4100F组成的驱动电路。通过控制三极管工作在饱和和截止状态，就可以控制水阀的启用和停止，从而解决灌溉问题，使农作物得到合理的灌溉。

1.4.3 风扇驱动电路

风扇驱动电路是该系统中结构最简单的一个驱动模块，它只用到了一个三极管和一个电阻，通过控制三极管工作在饱和和截止状态，就可以实现风扇的启用和停止，从而使大棚内部能够保持通风。

1.5 信息处理模块

信息处理模块是整个系统的核心部分，包括环境参数预设置、信号处理和控制3个部分。环境参数预设置一方面将某一时间范围内农作物正常生长对温度、湿度、光照的要求进行设置，另一方面可以将各个大棚内农作物生长的信息反馈到显示屏上，做到时刻掌握信息。信息处理实现测量数据并反馈其信息，为控制监控提供依据，控制部分则由此发出各种相应的信号。控制部分通过驱动电路来实现，分别是电机、水阀和风扇驱动电路。当控制系统启动后，能够按实测温、湿度和光照强度和其设定的值通过单片机的运算输出信号，来掌握大棚内植物的各种信息，并发出一些补救的命令。例如，当大棚内的温度过高时，经过单片机的处理使得风扇打开，从而使内部温度降低。电机驱动电路如图3所示。

2 结论

本作品用到了TI公司开发的MSP430G2553，以单片机为主要控制系统，其他各个模块为辅，共同作用，对大棚实行了严密的监控。并且，在用各种传感器时测得数据的精度也各自不同，光照度的精度可达1Lx，土壤湿度的精度为1%，温度的精度是0.1 ℃，然而在调整上下限时，只有温度的精度变成了1 ℃，其他2个模块所测得的数据的精度均不变。

参 考 文 献

[1]江晓安，董秀峰.模拟电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[2]秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2009.

[责任编辑：钟声贤]