多传感器环境下的温室蓝莓智能控制系统研究

吴亚榕 陈绍基 李键红

摘要 针对蓝莓生长的温度、湿度、光照强度及培养液pH等环境要素，介绍了一种基于AT89C51单片机的集温湿度传感器、光照强度传感器及液体pH传感器等多传感器的温室蓝莓智能控制系统。该系统具备多传感器数据采集、模拟/数字信号转换、数据处理、数据存储、ZigBee无线通信、LCD显示、在允许误差范围内自动调节控制温室蓝莓生长环境要素等功能，可为温室蓝莓提供适宜的生长环境，有利于节省人力、物力和成本，并能提高蓝莓的产量。

关键词 多传感器;温室;蓝莓;AT89C51;智能控制系统

中图分类号 S126文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）14-0228-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.067

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract Aiming at four environmental factors for blueberry growth， including temperature， humidity， illumination and pH of culture medium， this paper introduced a blueberry intelligent control system of greenhouse based on AT89C51 single chip microcomputer， which included temperature and humidity sensor， illumination sensor and pH sensors.This intelligent system had the functions of multisensor data acquisition， analog/digital signal conversion， data processing， data storage， ZigBee wireless communication， LCD display， automatic adjustment and control of greenhouse blueberry growth environment elements within the allowable error range and other functions， which provided blueberry with suitable growing environments and was favorable for saving manpower， material cost， safeguard and increase blueberry output.

Key words Multiple sensors;Greenhouse;Blueberry;AT89C51;Intelligent control system

作者简介 吴亚榕（1982—），女，湖南常德人，助理研究员，硕士，从事农业科技信息与电气技术、科技成果转化评价、图像处理和机器学习研究。

收稿日期 2019-04-18

蓝莓作为世界粮农组织推荐的五大健康水果之一，深受国内外民众的喜爱[1]。为了提高蓝莓的产量，我国温室蓝莓种植技术已经取得一定进展，但在温室蓝莓智能控制系统方面尚有较大空白。温室蓝莓生长的四大环境要素包括温度、湿度、光照强度及培养液pH[2-3]。笔者针对蓝莓生长的四大环境要素开展系统性研究，以AT89C51单片机为中央处理单元，用ZigBee无线通信技术连接温湿度传感器、光照强度传感器及液体pH传感器等多个传感器，打造“低成本、低能耗、安全可靠”的温室蓝莓智能控制系统，旨在為蓝莓生长提供“长期稳定适宜的温室环境”，节省人力并提高生产效率。

1 硬件搭建

首先，遵照“低成本、低能耗、安全可靠”的原则设计系统;其次，对系统的可扩展性也应予以重视，可扩展性高有利于后期整个系统的更新升级，从而节省人力、物力、财力;另外，蓝莓对环境变化比较敏感，所以智能控制系统的控制精度要有保证，特别是培养液pH应严格控制好，才有利于蓝莓的健康生长。系统硬件整体结构如图1 所示。

1.1 中央处理单元

该系统采用AT89C51单片机作为中央处理单元[4-7]。ATMEL公司的AT89C51单片机可以反复编程1 000次以上，这是因为它具有可以擦除1 000次以上的可擦除只读存储器。该单片机采用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术，与输出引脚兼容，并且在MCS-51指令的行业标准下制造。AT89C51单片机是一款高效的微型控制器，核心由一个多功能的8位CPU和闪存芯片构成，可以给大多数嵌入式控制系统提供一种灵活、性价比高的解决方案，其中AT89C051是其精简版。

1.2 无线通信模块 该系统采用ZigBee无线通信模块连接中央处理单元及四大传感器，抛除有线电缆的束缚，节省整个系统的占用空间，方便简洁[8-9]。ZigBee无线通信技术是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，于2001年8月正式成立。ZigBee无线通信技术和蓝牙无线通信技术相类似，都是短距离无线通信技术，但蓝牙无线通信技术存在许多缺陷，如功耗大、复杂度高、通信距离短等，只适合家庭、个人使用。ZigBee技术的开发是为了满足工业自动化的需求，布局简单，抗干扰，传输可靠，使用方便，低成本，通信距离在空旷距离达数百米，在室内通信距离可达50 m。

1.3 温度传感器

温度的测量由DS1820温度传感器负责，并通过ZigBee无线通信模块发送到单片机。作为世界上第一个支持“单线总线”接口的温度传感器，DS1820具有单线总线的独特且性价比高的特点，给测量系统的构建提供了一个新概念，设计者能够很容易地构建传感器网络，并进行温度测控系统的构建。它可以应用在温度范围为-55～ 125 ℃的环境中，在常见温度环境（-10～ 85 ℃）时，其测量误差不超过±0.5 ℃。对于蓝莓生长环境而言，该精度符合该温室蓝莓智能控制系统的要求。

1.4 湿度传感器

湿度的测量由线性电压输出式集成湿度传感器HIH3605负责，并通过ZigBee无线通信模块发送到单片机。湿度传感器HIH3605需由恒压电源供电，只有这样，它才能输出与相对湿度呈比例关系的线性电压信号，并由内置放大电路将电压信号放大并传送到系统CPU进行计算、处理。HIH3605的抗污染特性好，能够在较恶劣的环境下使用且不影响测量湿度的准确性;同时，它响应速度快，可基本实现实时测量所在环境的湿度;另外，由于它的重复性能好，使用寿命长，可供长时间使用。

1.5 光照强度传感器

光照强度的测量由光照强度传感器PGM5506负责。该元器件是一种光电晶体管，其电阻值大小随所在环境的光照强度变化而变化，在恒定的输入电压条件下输出与光照强度呈比例关系的线性电压信号，供CPU计算、读数，其峰值灵敏度波长为540 nm。

1.6 pH传感器

pH的测量由pH传感器PH-BTA负责，并通过ZigBee无线通信模块发送到单片机。传感器内部的pH放大器是一个能通过数据采集器监测的有标准pH电极的电路。传感器电缆的末端是一个BTA插头或一个连接到数据记录仪的5脚DIN插头。在pH为7的缓冲溶液中，它会产生1.75 V的电压。PH-BTA的测量原理是能够输出与所在环境pH呈比例关系的电压，传感器所在环境的pH每增加或下降1，其输出电压也相对应增加或下降0.25 V。此pH传感器的分辨率为0.005，测量范围为0～14，可以做到1 s内完成90%的读数。

1.7 LCD显示模块

该智能控制系统可由LCD1602实现实时显示四大环境指标。LCD1602是一种工业字符型液晶，最多可以同时显示32个字符信息。它是一个点阵液晶模块，专门用于显示字母、数字、符号等字符。它由多个5×7或5×11规格的点阵字符位构成，其中每个点阵字符位可以显示一个字符。另外，每个点阵字符位之间、每一行之间都有一个点间距，这个点间距扮演着字符间距和行距的角色。

1.8 外設功能模块

此模块为温室蓝莓智能控制系统的执行部件，分为3个部分，分别为可调节温湿度的中央空调、大棚遮光帘电动马达控制部件或补光灯[10-11]、调节培养液pH值的电动阀门。当大棚室温值或湿度值偏离适合蓝莓生长的范围时，智能控制系统的中央处理单元控制温室中央空调进行调节，使得大棚温、湿度保持在合适的范围内;当大棚的光照强度过强时，中央处理单元控制遮光帘的电动马达，将遮光帘适当关闭;当大棚光照强度不足时，遮光帘全收，若光照强度仍不足时，应打开补光灯进行光照强度的补充;当培养液的pH偏离设定值时，中央处理单元会通过开关酸溶液或碱溶液的释放开关来调节培养液的pH，以保证蓝莓最重要的生产环境。以上调节都是通过负反馈的形式进行自动控制调节，以提高智能控制系统在控制方面的可靠性。

2 软件部分

软件的编写在Keil μVision环境下完成，该环境是由美国Keil软件公司开发的51系列兼容单片机C语言的软件开发系统。与汇编语言相比，C语言在功能、结构、可读性、可维护性等方面具有明显优势，从而易于学习和实际应用。Keil软件公司提供了一个完整的开发解决方案，包括C语言编译器、宏汇编、连接器和强大的模拟调试器，这些通过集成开发环境（μVision）相结合。这就是Keil μVision环境。

该系统软件由主程序和子程序构成，如图2所示，主程序初始化系统并根据更能需要调用子程序运行处理;子程序主要负责检测各个接口对应温湿度、光照强度及pH，并进行分析、处理、显示、存储等。

3 系统调试与Proteus仿真

3.1 系统调试

整个系统设计并安装好以后，还需要对系统进行调试，才能最终进入实际应用环节。在调试过程中，需要校准四大传感器，由于pH传感器的精密性性和特殊性，要特别留意pH传感器的校正，避免因校正失误对蓝莓苗造成不可恢复的伤害。同时，应该坚持2次调试原则，保证系统的准确性。

3.2 Proteus仿真

为了论述该方案的可行性，在Proteus软件上对该系统进行仿真[12]，仿真结果如图3所示。作为英国著名的仿真软件，Protues真正实现了从概念到产品的完整设计，它可以从原理图布局、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真，一键切换到PCB设计。同时，它是世界上唯一一个集电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件于一体的设计平台。它的处理器模型支持8051、HC11、pic10/12/16、18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP系列处理器。另外，在编译方面，它还支持多种编译器，如IAR、Keil和MATLAB。

4 结语

多传感器环境下的温室蓝莓智能控制系统的研究具有较大的商用价值。在智能控制系统协助下，“低成本、低能耗、安全可靠”地进行温室蓝莓种植生产，节省人力物力的同时提高蓝莓产量，可以从季节上、效率上提高蓝莓种植的核心竞争力。然而，该智能控制系统尚不够完善，有待进一步更新和升级。

参考文献

[1] 秦兴川.蓝莓适生环境与栽培技术研究[J].园艺与种苗， 2012（4）：37-39.

[2] 杨福美.大棚蓝莓丰产栽培技术[J].吉林蔬菜，2016（6）：15.

[3]  LI X Y，CHEN W，LI Y D.Study on photosynthetic characteristics of blueberry in greenhouse[C]//MEZZETTI B，DE OLIVEIRA B.The 28th international horticultural congress on science and horticulture for people（IHC 2010）：International symposium on berries：From genomics to sustainable production，quality and health.Lisbon，Portugal：ISHS Acta Horticulturae， 2012.

[4] 李全利.单片机原理及应用技术[M].3版.北京：高等教育出版社，2009.

[5] 陈书欣，马洪涛，刘玺.智能温室大棚系统设计[J].河北工业科技，2011，28（4）：240-243.

[6] 韩力英， 杨宜菩， 王杨，等.基于单片机的温室大棚智能监控系统设计[J].中国农机化学报， 2016， 37（1）：65-68，72.

[7] ZHANG C W.Greenhouse intelligent control system based on microcontroller[C]//LIU L，YANG C，KE J F.Advances in materials，machinery，electronics II.Xian，China：[s.n.]，2018.

[8] 洪东辉， 陈敬洋， 袁小雪，等.基于ZigBee无线传输的水质监测系统设计[J].轻工科技， 2017（1）：62-64.

[9] 谢红彪， 王斌， 李文静，等.基于 ZigBee 的田间灌溉自动测控系统设计[J].农机化研究， 2014（9）：89-93.

[10] 何国荣.基于单片机的温室大棚自动卷帘控制器设计[J].信息技术， 2016（1）：96-99.

[11] 陶佰睿， 衡文丽.基于单片机的温室大棚LED智能补光系统设计[J].中国农机化学报， 2016， 37（10）：181-184.

[12] 石惠.Proteus在单片机系统设计中的应用[J].中国科技信息， 2008， 31（14）：153-154.