农业大棚的温湿度监测系统的设计方案

蒲维杰

摘 要：农业大棚的温湿度监测系统能提高大棚作物生产的效率和质量。随着农业技术的进步，精确的环境控制变得至关重要，尤其是在温湿度和二氧化碳浓度的监测方面。首先，介绍了农业大棚湿度监测系统的基本理论，阐述了温湿度监测系统的工作原理和核心技术。其次，详细讨论了系统的硬件部分设计，包括单片机最小系统电路、电源管理模块、温湿度监测模块、ADC转换电路，以及二氧化碳浓度采集处理设计，形成了高效、可靠的监测系统，不仅能够精准地测量大棚内的环境参数，还能够为农业生产提供数据支持。最后，涵盖系统的调试过程，确保其在实际应用中的稳定性和准确性。通过这种综合方法，为中国现代农业提供一种创新的技术解决方案，促进农业可持续发展。

关键词：温湿度监测；农业技术；物联传感

中图分类号：S625 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）01–00-03

本研究设计高效的农业大棚温湿度监测系统，提高农业大棚的管理效率和作物生长的质量。随着现代农业技术的快速发展，对大棚内温湿度的精确控制变得越来越重要，本系统应用了先进的传感器和物联网技术，能够实时监控大棚内的环境条件。通过智能算法对数据进行分析处理，优化灌溉和温度管理[1]。本研究不仅关注系统的技术实现，还考虑系统在实际农业生产中的可应用性和经济效益，力求在保障作物生长的同时，提高能源使用效率和降低运营成本。通过对该系统的实施，为现代化农业生产提供创新的解决方案，有助于推动农业的可持续发展，通过更有效地使用资源，减少浪费，最终实现经济和环境双赢的目标[2]。

1 农业大棚湿度监测系统的基本理论

为了迎合时代的需求与公共设备体系的建立，本系统在传统大棚湿度监测的基础上进行了改进，全面实现自动化、农业化以及可视化操作。该系统实现的基本思路如图1所示。

农业大棚湿度监测采用STM32单片机为控制芯片，实现大棚土壤温湿度数据的自动监测和实时显示与实时处理，使用者可以根据需要，自己手动实现调节温湿度与阈值的范围，实现了手动可调。还有对大棚土壤中温湿度数据进行实时监测处理的功能。

系统所用的传感器为DHT11温湿度传感器，该传感器可以实现对大棚土壤中的温湿度信息进行实时监测；利用液面传感器实时监测水箱中液面的高度值；树木转换模块将传感器采集的温湿度数据模拟量转换成可被单片机处理识别的数字量信息；LCD1602液晶显示模块实时地显示AD模数转换后的温湿度数字量信息，以及液面的高度信息和用户的预设预警值的温湿度数字量；MCU数据处理实现对各个传感器模块的控制及数据的处理；多功能报警模块和继电器开关控制，则是监测的温湿度数据不在用户所设的阈值范围内时，发出声光报警提醒用户浇水，同时继电器自动吸合水泵工作，完成自动浇水。若一段时间以后监测到土壤中的温湿度数据，并且这个数据在使用者预先所设的阈值范围内，那么继电器将会断开，水泵停止工作[3]。

2 农业大棚湿度监测系统硬件部分的设计

2.1 单片机最小系统电路设计

单片机的最小系统主要涵盖电源供电单元、复位电路单元和时钟单元。其中，复位单元原理是当系统上电完成时，会自动完成一次复位操作。这可以用于系统的重启操作，例如当系统出现寄存器发生错乱或显示问题，此时按下复位键，那么系统会恢复上电复位状态。复位电路硬件设计如图2所示。

2.2 系统电源管理模块

考虑到系统各模块的工作电压都为+5 V，因此需要设计一个电压稳定在+5 V的稳压模块。选取的是型号为LM7805的稳压芯片，其将所输入的电压转换成各模块所需的工作电压。同时，为了减少电压波动的影响，滤波电路采用了2个电解电容进行并联。具体稳压电路的实现见图3所示。

2.3 温湿度监测模块设计

系统采用DHT11温湿度传感器，温濕度传感器可以收集大棚土壤和大棚内的湿度信息。节约了单片机的片内处理资源，显著提高了其处理能力效率[4]。DHT11数字温湿度传感器可以测量-40～80 ℃的环境温度，且精度为±0.5 ℃，采用单线数据传输的形式，将采集到的数据传递给数据处理单元，然后进行处理显示。详细的温湿度数据采集电路图如图4所示。

2.4 ADC转换电路设计

ADC转换电路采用的是ADC0832ccn芯片，该芯片的硬件结构图如图5所示。ADC转换电路凭借成本低、功耗小和兼容性强等优点，适合大面积网络的开发使用，因此适合在大棚报警系统中使用。此外，ADC转换电路还可以进行多路AD转换，满足多个任务的需求。为芯片的08号引脚提供+5 V的直流电压，就能够使得芯片正常运行。同时在高性能、高频率的状态下，芯片可以在极短的时间内将温湿度信息进行模—数转变，能够满足客户获取实时数据的需求[5]。

2.5 二氧化碳浓度采集处理设计

采集二氧化碳浓度的主要器件是MQ-9传感器，它能精确地获取所需的浓度信息。在设计电路时需要考虑该传感器的电阻进行上电处理，其原理是系统正常供+5 V电压以后，内部的大功率电阻丝可以利用电流的热效应使传感器正常工作。同时，在设计电路时为了减少不必要的等待时间，将传感器的引脚01、02和03全部接入+5 V，而引脚04～06进行接地处理。内部通过A和B这2个金属拨片，来探测空气中的烟雾气体浓度[6-9]。然后，根据其内部化学物质与空气中气体发生化学反应，从而产生电流变化。通过这种电流的变化逻辑处理单元根据算法来采集与监测二氧化碳浓度。其具体硬件原理逻辑图如图6所示。

3 系统调试

在系统调试时，选取的测试环境为略显干燥的土壤环境进行系统调试场景。同时，在系统调试时需要满足分模块化的测试准则，即先针对不同的模块单元进行分步调试。在调试没有问题以后，再进行整个系统的联调。这样可以测试独立单元，能够及时发现并解决问题，防止系统整体联调时发生错误而找不到错误的源头。在分模块调试时，先对气体浓度监测部分进行测试，调试DHT11温度采集单元，然后调试显示单元，测试按键电路单元，最后调试报警单元。在调试时，需要进行不断测试与改进，以达到最佳效果。

具体测试实现流程如下：系统上电复位完成后，根据原先设置的湿度10%～18%报警浓度、温度35 ℃的条件下，将传感器靠近土壤。可以发现温度开始缓慢上升，同时若当监测的湿度数据低于设置的报警值时，或者当监测的温湿度低于预设的阈值时，开启预警模式，能在光报警的同时继电器开关闭合，水泵开始工作。调试流程图如图7所示。

4 结论

第一，升级传感器以适应更广泛的应用场景；第二，整合物联网和AI技术，使用NB-IOT或Wi-Fi传输数据；第三，增加对土壤微量元素的监测，实现更科学的种植和灌溉管理。未来的研究可以进一步提高系统的稳定性、准确性和用户友好性，也可以探索新的监测参数和数据分析方法，以更全面地满足现代农业生产的需求。通过这种方式，温湿度监测系统将继续在提高农业生产效率和促进生态可持续性方面发挥关键作用。

参考文献

[1] 陈亚丽，杨伟兵.基于AT89C52单片机的自动浇花系统的设计[J].漯河职业技术学院学报，2020，19（1）：23-25.

[2] 刘瑞妮.基于单片机的自动浇花系统的设计[J].微型电脑应用，2019，35（7）：63-65.

[3] 王波，王晋美，孙毅浩，等.基于STM32单片机的自动浇花系统设计[J].现代信息科技，2023，7（12）：166-169.

[4] 张子瑜，张晓芳.一种基于单片机的自动浇花系统设计[J].电脑编程技巧与维护，2023（1）：104-106.

[5] 赵杰，乔栋，李博文，等.基于单片机自动浇花系统[J].电子制作，2022，30（24）：35-38.

[6] 俞纪良，刘壮林，范海平，等.基于单片机的自动浇花系统设计[J].电子设计工程，2022，30（18）：11-15.

[7] 馬宇喆，李恒锋，李斐.51单片机的自动浇花系统[J].电子世界，2021（23）：57-58.

[8] 乔琳君，魏严锋.基于STC89C52单片机的自动浇花系统设计[J].微型电脑应用，2021，37（3）：23-26.

[9] 郭艳婕，方素平，李帆，等.基于单片机的自动浇花系统设计[J].科技通报，2017，33（5）：171-173.