园艺环境监测系统设计

张千宇

(东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

0 引 言

设施园艺是使用某些人工相关设施、采用控制技术对农作物环境因素进行监控，使传统农业生产不完全受自然的气候和土壤的条件限制，满足农作物具有最佳的生长环境，提高植物的生长周期、增加产量的的管理方式。设施园艺实际上就是将农业工程技术和生物技术及农作物环境控制技术结合起来，提供农作物最佳的生长环境，达到农业的优质、高产、高效的效果，实现农业的集约化，是农业现代化发展的必要组成部分，也是各国农业领域最为活跃的产业。

大型温室具有资金投入少、土地使用效率高，适合实行机械化自动管理和产业化规模化生产，温室内温度变化小、日温差稳定，有利于对环境进行控制等优点。随着温室规模趋于大型化发展，对于设施环境调节和控制控设备和技术要求更高，计算机电子信息技术、农作物栽培管理技术、环境因素自动采集等新技术都将成为未来设施园艺研究的热点。

温室园艺主要是能够控制设施内栽培环境因素，提供适合作物生育条件，所以，未来的人工智能控制系统能够做到对于农作物栽培环境自动化控制，同时和天文气象站、种苗公司、病虫害测报等相互连接，完成产值、产量的预测，为生产者提供有价值的信息情报及决策提供确切的依据。

本文通过分布式温湿度传感器和无线组网方式对园艺环境进行监测、数据汇集和传输。在技术构建上，以嵌入式智能硬件为核心，将智能温湿度数据采集与短距离无线传输技术相结合，通过单片机软件编程实现园艺环境信息采集和信息传输。采集的信息接入上位机，上位机再根据上传的数据情况采取相应措施。

1 系统框架设计

整个系统工作原理为：微控制器首先通过温湿度传感器模块获取园艺环境的温湿度数据，再通过蓝牙无线传输模块将上述数据无线发送至上位机，进行数据的远程监控，并在主机上进行数据分析和决策。

2 硬件设计

2.1 控制器

微控制器是系统控制核心，由于园艺环境监测系统需要进行园艺环境温湿度数据的读取以及无线通信信号的发送和接收，对于系统的是实时性要求很高，且系统运算大，因此选择意法半导体的Arduino微控制器，其电路图如图1所示。该芯片有512 KB片内FLASH，64 K片内RAM，最高允许频率达72 MHz，片内多达11个计数器，从而可满足系统设计要求。

图1 Arduino电路图

2.2 温湿度传感器

本系统选择DHT11作为温湿度传感器，DHT11典型应用电路如图2所示。

图2 DHT11典型应用电路

2.3 供电单元

供电单元为整个系统提供稳定的电源，供电电路如图3所示。

图3 电源模块

此系统中采用5 V锂电池供电，而硬件设备中要求+5 V和+3.3 V的电源，因此需要设计电源转换电路，使用+5 V电源作为ASM1117-3.3 V稳压器的输入端，最大可提供1 A的电流值，电感L1和L2令模拟电源隔离，VDDA端输出+3.3 V模拟电源，VSSA端为模地。

3 软件设计

3.1 嵌入式程序设计

DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4 ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。

3.2 上位机设计

系统软件设计流程如图4所示。软件利用labview开发平台。数据记录单元的基本流程为，将温湿度数据分别存入预先设置的数组中，待一组数据全部存入数组后，将数组内的数据写入电子表格，再将该子程序置于while循环中，并在此while循环中设置200 ms的延时，即可实现每隔200 ms对采集到的数据进行一次监听，改变预设的延迟时间，即可改变数据记录频率。

图4 上位机流程图

连接硬件，配置数据采集装置的串口号，并将数据采集装置串口的波特率设置为9 600，点击“打开串口”，即可实现对数据的实时检测。上位机运行界面如图5所示。

图5 上位机界面

5 结 论

随着无线技术传输技术及大规模集成电路技术的发展，在某些农作物生长环境较复杂的区域，如果采用有线传输方式的进行布线及数据的传输非常繁琐尤其在偏远、环境恶劣的条件下会表现出许多不足，如果采用无线传输方式可以很好地解决相关问题，在监测点较多和不断改变采集位置的场合具有简单方便的优点。

本文进行了园艺环境监测系统的硬件电路和软件设计，通过智能硬件技术构建温湿度智能传感器，基于短距离无线电技术组网并将数据传送给上位机，在主机上进行数据分析和决策等，完成了对温度参数采集要先得到现场温度数据，采用温度传感器能完成对农作物生长温度参数的采集及处理。