基于单片机的大棚多参数采集控制系统

2021-08-26初光勇

物联网技术 2021年8期

初光勇，孟辉

（铜仁职业技术学院，贵州铜仁 554300）

0 引言

食品行业在现代轻工业中占有重要地位，也影响着国民经济的发展与人们的日常生活[1-2]。随着科学技术的发展，食品工业、现代农业与科技行业的有机结合，促进了食品行业及农业的发展。由于光照强度、空气温湿度、土壤水分等参数影响着植物的新陈代谢[3-4]，也影响着农作物的品质和产量，而目前大多数大棚还是以传统的人工干预方式操控，根据经验判断是否进行灌溉、施肥、遮光等，因此设计一套多参数采集控制系统尤为必要。利用单片机、传感器等采集大棚数据，自动管控，满足大棚农作物在不同生长阶段的需要。

1 控制系统设计

1.1 软件设计

该控制系统由数据采集模块、数据处理分析模块、系统控制面板等组成。

数据采集模块实时采集大棚内的光照、空气温湿度、土壤湿度等参数。

数据处理分析模块将采集的信号经算法处理后通过单片机对卷帘、水肥一体灌溉电机进行控制。

系统控制面板利用LabVIEW平台设计[4-6]，系统前面板包括常用控制和信号显示界面，方便系统设置和光照、温湿度数值的显示，同时还能显示植物生长情况，满足系统要求。

系统框架如图1所示，上位机平台界面如图2所示。

图1 系统框架

1.2 控制系统算法

Penman-Monteith方程是1965年提出的基于能量平衡和水汽扩散理论的作物腾发量计算公式[7]，能够反映植物的蒸腾作用。考虑到温室大棚无风速的影响，温室Penman-Monteith修正公式[8]见式（1）：

式中：ET0为植物的蒸发蒸腾量；Δ为饱和水气压与温度关系斜率；T为平均气温；Rn为农作物受太阳净辐射量；G为土壤通热量；V(λ)为光谱可见度系数函数[9]。计算es、ea、Δ的值：

式中：U为温室空气的相对湿度；γ为干湿常数。灌溉量决定灌溉时间，利用实际测量大棚的温湿度等参数得到单次灌溉的时间为：

式中：t为单次灌溉时间；kc为作物系数，按照快速生长期取kc=1；S1，S2为滴灌间距；Q为流量。

1.3 硬件介绍

组成系统的硬件主要有单片机控制器、执行电机和传感器。由于对系统要求不高，因此采用低成本的STC12C5A60S2单片机[10]作为核心控制器，其拥有56 KB程序存储，1 280字节RAM，2路PWM输出。土壤湿度传感器中湿度比较器采用LM393芯片，具有灵敏度可调、模拟电压输出功能。光照传感器芯片型号为BH1750FVI，这是一款用于I2C总线接口[11]的数字光传感器芯片，检测范围为1～65 535 Lux，可实现对广泛宽度下进行1 Lux的高精度检测[12-15]。空气温湿度传感器型号为DHT11，供电电压为3～5.5 V，温度范围为0～50 ℃，湿度范围为20%RH ～90%RH。步进驱动器型号为W250，输入电压为DC 60 V，最大驱动电流为5 A，最小步距角为1.8°，细分1/2、1/8可选，分400步和1 600步，精度高，利用开关电源供电，通过控制步进电机实现精确控制。步进电机[16]型号为57BYG250，通过联轴器链接丝杠进行动力传输，限位开关采用欧姆龙E3Z系列光电开关，性能稳定，可靠性高，响应速度快。单片机控制引脚连接见表1所列。

表1 单片机控制引脚连接

2 系统工作流程

控制流程如图3所示。系统进行空气温湿度、光照强度、土壤湿度等数据的采集，将传感器采集的数据传送至单片机进行处理，并将信息实时显示在LCD1602模块[17]上，同时将数据实时发送至上位机LabVIEW平台进行实时监控，从而控制滴灌装置和卷帘装置。

图3 控制流程

3 实验结果分析

3.1 实验设计

为验证该系统的准确性和精确性，通过搭建微型实验大棚环境进行模拟实验，通过改变光照强度、土壤湿度、空气湿度等参数进行稳定性测试实验。采用81345PP滴灌水管进行滴灌，滴灌速度可调。温度测量数据对比见表2所列，湿度测量数据对比见表3所列。

表2 温度测量数据对比

表3 湿度测量数据对比

3.2 实验结果

从表2和表3的数据可以看出，最大相对误差为2.68%，系统相对误差在±5%以内，证实了该系统具有较好的稳定性和可靠性。选择草莓大棚[18]进行实验，在同一个温室中选择一块4 m×4 m区域进行实验，实验数据见表4所列。根据表4的数据进行分析，蒸腾量在当天12:00—14:00之间达到峰值，这与中午的光照强度、湿度等升高有关，符合植物生长实际。