农业温室大棚环境智慧监测系统设计

肖福娟，初晓艺，林 彬

（山东药品食品职业学院 健康管理系，山东 威海 264120）

农业温室大棚在我国现代化农业生产中有着举足轻重的作用。目前，我国大部分温室大棚的环境控制都是通过人为完成的，无法实现湿度过低时自动浇水，温度过高时自动打开顶膜通风等，这导致了工作人员的劳动强度大大增加，而且效率不高[1-2]。

本文进行了农业温室大棚环境智慧监测系统的设计，针对现阶段我国温室大棚的问题，可以远程、无线监测温度、湿度，并可以自动调节温湿度。本系统的智能化高、自动化程度高，工作人员可以不用到现场就知道温室大棚内的环境因素，并且通过设置参数，温室大棚自动调节温湿度，保持农作物快速生长的最佳环境参数。同时本系统中加入了自动存储数据的功能，可以使工作人员查看过往数据，便于人员对大棚内温湿度的了解，然后进行自动化调节。

1 系统总体设计

1.1 设计方案

本系统要解决的重点问题是：温度、湿度的采集，信息的实时显示，数据无线传输。系统的上位机是由PC机上的Labview编写，下位机是由STC89C52单片机作为核心构成。Labview上位机是实现实时显示温湿度曲线的载体，下位机的主要功能是检测温湿度，控制超限时的一系列措施等等，具体设计方案如图1。

图1 系统结构图

1.2 关键器件选型

1.2.1 温湿度传感器选型

用DS18B20来检测温度，YL-69检测土壤湿度。DS18B20直接输出数字信号[3]，检测的结果可以用来直接显示。

1.2.2 显示屏选型

用LCD1602作为下位机的显示屏，单个LCD1602液晶可以显示很多字符，一个LCD1602显示的内容就可以简单明了地看到检测的温湿度。

1.2.3 无线通讯模块选型

采用ZigBee模块，ZigBee技术主要的特点是稳定、便宜、结构简单。ZigBee技术从上到下主要分五层结构：应用层、网络层、传输层、媒体访问控制层和物理层[4-5]。另外，ZigBee的传输距离可达到一百至两百米，完全能够满足本设计的需要。

2 系统硬件电路设计

2.1 最小系统电路

一般来说，时钟电路、电源和复位电路是单片机最小系统的组成部分，同时也是单片机能正常工作的基本要求。本文选择的是典型的最小系统配置。

2.2 数据采集模块

2.2.1 DS18B20温度传感器电路

DS18B20是当前市面上最常用的数字温度传感器，其输出量是9到12位的数字量，方便使用者进行数据处理，其测温范围是－55℃～+125℃，工作电源为3.0～5.5V。DS18B20传感器采用单总线的接口方式，仅使用一条线与单片机P1.6口相连。

2.2.2 YL-69土壤湿度检测电路

YL-69是湿敏电阻传感器。当土壤中的湿度值发生变化时，湿敏电容R2数值会发生相应的变化，其两端电压会发生变化，使1IN+模拟输出量发生变化的电压数值与湿度值呈正比。但是其湿度值为模拟量需要ADC来将模拟量转化为数字量。其电路原理图如图 2（a）。

ADC模数转换芯片采用ADC0832。其芯片上的四个引脚DI、CLK、DO、CS与STC89C52通过三根线连接，CS为片选端口，CS与单片机的P1.4口相连，CLK口提供由单片机发出的ADC0832工作所需的时钟脉冲，它与单片机的P1.1口相连；DI端口是进行数据信号选择的端口，它与DO端口都连接到单片机的P1.3口。具体电路如图 2（b）。

2.2.3 灌溉电路

本系统利用PNP型三极管Q1，当三极管的基极低于平时，继电器通过电磁作用控制磁铁闭合，水泵通电，开始工作，同时LED灯亮起，如图2（c）灌溉电路。

2.2.4 顶膜电路

当温度低于下限时，单片机控制步进电机正转3圈从而达到闭合顶膜的目的；相反，当温度超过上限时，单片机控制步进电机反转3圈来达到打开顶膜的目的。

步进电机是利用非门电路ULN2003进行驱动的，ULN2003起到的最主要作用是电流放大，因为3.3V单片机的电流无法驱动5V的步进电机。具体如图2（d）。

图2 部分电路原理图

2.2.5 下位机显示电路

下位机采用LCD1602显示具体的温湿度以及温湿度上下限，RT1滑动电阻可以调节LCD1602的背光程度。在LCD1602的第一行显示湿度值与湿度上下限；第二行显示温度值与温度上下限。具体的连接引脚如图2（e）。

2.2.6 串口电路

单片机的RXD端口与ZigBee模块的RXD端口相连，TXD与ZigBee模块的RXD相连，将数据通过Zig－Bee模块上传至PC上的ZigBee模块，从而将温湿度数据通过上位机显示出温湿度曲线。具体的串口电路如图2（f）。

3 程序分析与设计

3.1 下位机程序流程设计

3.1.1 主程序流程

主程序大体可以分为三个阶段，这三个阶段分别是：初始化各个部分阶段、检测湿度阶段、检测温度阶段。主程序流程如图3。

图3 下位机主程序流程图

3.1.2 ZigBee无线传输流程

ZigBee的使用和调试，需要用到Flash Programmer软件来实现对其物理地址的修改和程序下载，ZigBee的工作流程分为系统启动、驱动初始化、OSAL初始化及启动和进入任务循环几个阶段。具体流程如图4。

图4 ZigBee流程图

3.2 上位机Labview设计

3.2.1 上位机总体结构

Labview作为编写上位机的主流语言是最适合本系统的上位机软件，控制部分与执行部分是本设计把上位机程序划分的两个部分。其中控制部分是人机交互界面即前面板，执行部分是后面板。系统的结构如图5所示。

图5 Labview程序结构

3.2.2 上位机程序

绘制出来的曲线将有两个波形图表，每个波形图表有三条线：线A表示湿度上限和温度上限；线B表示当前的温度和当前的湿度；线C表示湿度下限和温度下限。同时在波形图表的右上角有当前温湿度、温湿度上下限的具体数值。在两个波形图的下端有历史数据的文件存储路径。具体的前面板如图6。

图6 上位机前面板

在数据十六进制转化为十进制以后，会将读取的数据写入Excel文件，以储存历史记录。其存储格式为：时间，当前温度值，温度上限，温度下限，当前湿度值，湿度上限，湿度下限。

4 系统调试与分析

4.1 下位机调试

在完成下位机硬件设计与软件设计以后，首先对LCD1602下位机显示界面进行了调试。在LCD1602液晶屏上第一行显示的是湿度、湿度上限、湿度下限；第二行显示温度、温度上限、温度下限。具体如图7。

图7 LCD1602界面

4.2 上位机调试

在通过无线通讯传输数据以后，通过上位机绘制波形图如图8。

图8 上位机波形图

其中，时间、当前温度、温度上限、温度下限、当前湿度、湿度上限、湿度下限，以Excel形式存储在硬盘中。

5 结束语

针对当前农业温室大棚的环境监测问题，本文提出了以STC89C52单片机作为核心，分别采用数字传感器DS18B2检测温室大棚的温度，采用YL-69检测湿度，通过显示屏就地显示温湿度信息。并通过ZigBee无线通信的方式上传至Labview上位机，在上位机绘制温度、湿度曲线并存储数据。当监测数值超出上下限时，由下位机自动进行温湿度调节，并提醒工作人员进行关注。通过测试，本系统具有良好的实用性，推广价值高。