基于单片机的日光温室远程监控系统

郭佳盛，邢婷婷

（福建农林大学 东方学院信息工程系，福建 福州 350125）

随着单体温室到连栋温室的发展，温室内需要控制的参数不断增加，对温室提出了新的要求。本设计利用核心单片机实现远程控制温室各参数调节，通过现场控制系统实现温室环境数据的显示、分析和处理，将现场采集的数据和返回的控制命令利用无线通讯技术进行传输，解决了温室中总线布局的技术难点，为植物营造一个良好的生长环境。

1 需求分析

与大型现代温室不同，普通的温室控制系统由于其自身的结构和特性而具有相对有限的可控环境因素。在这个阶段，大多数的温室调控系统使用的方法是手动或简单的机械操作。因此，可以通过单片机技术，按照预先设定的理想值来实时的对温度、湿度以及土壤水分等参数进行调控，给作物营造一个最适合生长的环境，提高温室系统的生产。

2 功能设计与实现

本项目的设计是一个日光温室远程监控系统，以单片机作为控制核心，通过传感器对温室内各参数进行检测，如土壤水分、空气湿度、日照强度等。数据通过A/D转换后将所测参数传输给核心单片机，并与预先设置好的理想值进行比较，当所测参数超出理想范围时，进行声光报警器并给出控制命令，直到将参数调整到最佳理想范围内。

2.1 系统设计

该项目为基于AT89C51单片机的温室远程控制系统的设计。系统包括主体控制模块、数据传输模块、温度检测模块、湿度检测模块、土壤水分检测模块、二氧化碳检测模块、报警模块等。本系统将温度检测设置为优先级，当检测到温度超出预先设定的理想值范围时，自动打开天窗和适当的拉开或关闭帷幕，并通过声光报警器及时提醒。

图1 技术路线

2.2 硬件设计

（1）温度检测模块。温度检测模块主要是对温室内的温度进行检测，并将检测数据通过数据传输模块传输给核心单片机，由单片机判断所测温度是否处于设定范围。该系统的温度传感器采用价格相对实惠的PN结温度传感器，该传感器具有良好的线性度和稳定性，测量范围为-55°C～150°C，满足本系统对温度检测的要求。

（2）湿度检测模块。本系统的湿度检测模块使用金属氧化物湿度传感器来进行湿度采集，湿度引起电阻的变化率均极大，滞后特性小，且感湿范围涵盖了1%RH的低湿度到100%RH的高湿度。另外，该传感器对温度的敏感度低，能在150℃的范围内检测，因此温度稳定性高，所测数据更加准确。

（3）土壤水分检测模块。湿度检测模块主要是对温室内空气湿度进行检测，而对于温室，土壤水分的检测也同样重要。当前使用的检测方法各有优缺点，本系统使用电阻式土壤湿度传感器，传感器的测试值为-7.5 kPa～10 MPa的范围，通过土壤湿度与传感器输出电阻之间的相关性，得到土壤湿度的测量值。精度达到0.3，频率参数在传输过程中不易受干扰，但本系统采用电阻式传感器足矣。

（4）二氧化碳检测模块。二氧化碳检测模块主要是对温室系统内的二氧化碳浓度进行检测，并将检测数据传输给数据传输模块，该系统主要是通过MH-Z14红外二氧化碳传感器进行检测，该传感器可控量程在0～5000 ppm，而可控精准度为±75 ppm，量程及精准度可以满足该系统。

（5）报警模块。本系统的报警模块采用LED灯与蜂鸣器进行声光报警。当系统检测到任一参数超出设定值范围时，对应参数的LED灯亮起，显示温室内哪个参数异常，同时蜂鸣器响起，引起温室管理人员的注意。当温室内检测参数均在设定的理想值范围内时，两者均表现正常并且不做任何改变。

（6）数据传输模块。数据传输模块主要利用CP2200芯片将温室系统内各个传感器检测到的数据进行分析并传输给单片机，等待单片机做出判断，单片机将判断后发出的命令通过数据传输模块传输给各设备，实现相应参数的调节。

2.3 软件设计

本设计软件部分包括主程序设定模块、温度控制程序、湿度控制程序、土壤水分含量控制程序、二氧化碳浓度控制程序，保证系统软件的可拓展性可修改性。

（1）主程序设定。各个程序控制模块按照模块内规定时间进行检测，将所得到的数据传输给核心单片机进行分析，若没有超出或者低于预设值范围，则等待进行下一次的数据检测；当其中数据不满足预设值范围时，则按照设定的优先级进行工作，其中温度的优先级最高，湿度次之，再者土壤水分含量，最后为二氧化碳浓度。当检测的参数有两个或多个不满足条件时，按照优先等级执行相应中断程序。

（2）温度控制程序构件。温度控制程序采用定时器将时间设定为一分钟，单片机初始化后每一分钟通过传感器对温室内温度进行检测，并将数据传输给单片机进行分析。当下次检测在设定范围内时，恢复原始设置，若再次测量仍不在设定范围内，由单片机给出下步命令。若单片机初始化后检测数据在设定范围内则等待一分钟到达再次循环检测。

（3）湿度控制程序构件。湿度控制程序采用定时器将时间设定为两分钟，单片机初始化后每两分钟通过传感器对温室内湿度进行检测，由单片机对采集数值进行处理。若所测数据超出预设值，则单片机给出命令，打开遮光布利用光照降低室内的湿度；若低于预设值则适当的使用加湿装置对空气进行加湿，待恢复预设值范围内则恢复原始设置；若所测数据处于预设值则等待下一次检测。

（4）土壤水分控制程序构件。土壤水分含量控制程序采用定时器将时间设定为十分钟，传感器将采集的数据通过数据传输模块传输给单片机进行分析。当土壤水分含量超过预估值时，停止对土壤的水分供给，当低于预设值时，按计算好的供给量给土壤供水，使得土壤含水量处于设置范围内，若土壤含水量在预设值的范围内则等待下一次的循环检测。

（5）二氧化碳浓度控制程序构件。二氧化碳浓度控制程序采用定时器将时间设定为五分钟，当测量值超出设定范围时，单片机给出命令，控制打开换气装置，适当注入氧气，使得空气中的二氧化碳浓度下降，保持在设置的范围内。若当时的二氧化碳浓度保持在预设值的范围内则保持状态等待下一次的循环检测。

3结语

本文介绍了日光温室环境远程监控系统的硬件和软件设计。实现了温室内温度、湿度、土壤湿度、二氧化碳等因素的自动控制。本文是以AT89C51单片机作为核心的控制系统，成本低，运行可靠，可有效提高日光温室所带来的生产效率，同时也降低资本。但是由于客观条件和时间的限制，本课题的研究还存在很多不足，很多方面需要进一步提高。