智能农业温室大棚控制系统设计范文

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【摘要】传统的温室大棚监测和控制需要过多的人工干预，在实际操作中既容易造成参数调节差错也浪费人力成本。本文设计一套智能温室控制系统，能对温室大棚参数进行采集、信号传输以及智能监测和决策控制。实践证明，该系统具有很好的经济效益和推广应用价值。

【关键词】智能；温室大棚；控制

目前温室大棚基地是蔬菜的一个重要来源地，传统的温室大棚基地的参数控制主要靠人为介入调节，如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。相对生产来说，将智能化控制系统应用到大棚生产以后，产量与质量比人工控制的大棚都有极大的提高，对于不同的种植品种而言，提高产量与质量相对不同，对于档次较高的经济作物来说，生产效率可以提高30%以上。为此，在现代化的大棚管理中需要有一套完整的智能农业温室大棚控制系统，以控制大棚各项参数，适应生产需要。智能农业温室大棚控制系统采用先进的传感器技术、网络传输技术以及物联网技术，准确设置温室大棚基地的环境参数，系统采样温室大棚各参数后和设定值做对比分析，自动调节输出执行机构使环境参数达到设定值。

1系统总体设计

各种环境因素对温室大棚智能化调节提出了新的要求，为了能适应环境变化，使系统能够全方位和角度感知环境参数的动态变化、数据信息有效传输及系统稳定性的特点，使用物联网智能控制技术，结合Zigbee无线传感网络技术、嵌入式技术等新一代信息技术对温室大棚进行全方位的监测和调节。温室大棚控制系统主要包括感知层、数据传输层和系统应用层。其中感知层网络由Zigbee终端节点、路由节点和协调器组成，主要应用Zigbee技术进行无线节点设计，对需要的大棚信息参数进行采集，各终端节点对温湿度、光照度、CO2浓度等参数实时采集后，经过由协调器组建的通信网络传输给协调器，协调器与主控制板进行通讯。主控制板通过LAN网络和远程控制的WAN网络进行数据相互交互和传输，技术人员可以通过电脑或者手机实时监测温室大棚的各环境参数。针对需要调节的参数，系统主控板接采样到数据后，和目标值进行比较，将误差和误差变化率作为模糊控制的输入端，建立一个二维输入多输出的模糊控制器，为系统参数调节提供决策。系统总体设计结构图如图1所示。图1系统总体设计结构图

2系统模块硬件设计

2.1温湿度传感器

DHT1电路温湿度参数采集电路主要通过DHT11传感器实现，温湿度采集电路如图2所示。DHT11内部包括了一个微型单片机和温湿感应元器件，具有低功耗、响应快速、抗干扰能力强的特点，信号的传输距离可以达到20米以上。DHT11传感器和控制器连接的方式支持单总线的通信协议，数据和指令的发送和接收都是通过第2脚DATA引脚进行传输的。在硬件设计中，需要将DATA引脚外接上拉电阻4.7KΩ到3.3V，保证总线没有设备占用时总线电平为高电平。主机访问总线上器件时必须遵守单总线的时序，只有主机呼叫从机，从机才会应答。温湿度传感器DHT11供电范围是3.5V-5.5V，如果超过这个范围，传感器可能会烧、假如低于这个范围，可能传感器会读出错误的温湿度数据。因此，在使用那些3.3v单片机做编程的时候，这点需要特别注意。

2.2光照度传感器电路设计

BH1750FVI是日本罗姆（ROHM）半导体生产的IIC数字接口的环境光传感IC，支持速率最大400Kbps，具有较小的测量误差（精度误差最大值±20%），支持两个IIC地址，通过ADDR引脚选择。该传感器内部包含有16位AD转换，可以直接输出环境光强的数值，其光照度测量范围为1lx-65535lx，通过IIC输出其数值。该传感器具有3种分辨率模式可以设置，分辨率分别为4lx、1lx和0.5lx时所对应的测量时间为16ms、120ms和120ms。使用BH1750FVI时，首先需要对串口调试助手的参数进行设置，主要包括传输波特率、奇偶校验位、数据位和停止位。对于两个进行通信的端口,这些参数必须匹配；然后根据传感器读寄存器地址读取传感器采集的数据。光照度传感器电路如图3所示，传感器U4的ADDR引脚为IIC的地址端口，本系统设计中，BH1750FVI第2脚接地表示该芯片的地址为0100011；如果第2脚接高电平则表示该芯片地址为1011100。芯片第5脚DVI端口为内部寄存器的异步重置端口，芯片第4脚SDA和第6脚SCL分别接处理器的IIC总线接口。

2.3CO2传感电路设计

在蔬菜温室大棚中，二氧化碳对蔬菜栽培的影响比较大。因此在管理蔬菜大棚的时候，要对CO2气体进行调节，以满足蔬菜高产的需求。CO2的调节主要集中在白天进行光合作用的时期，本文选择MH-Z14气体传感器对CO2浓度进行测量，该传感器模块性能稳定，并具备低功耗、高分辨率、高灵敏度的特点。传感器利用非色散红外原理对大棚环境中存在的CO2进行检测，可以用模拟电压和数字输出的方法同时输出检测结果，参数可以用串口、PWM波形、模拟电压信号等实时输出方式。其内部自带温度传感器，对温度进行有效补偿保障结果的准确性，具有良好的线性输出。为了保证传感器正常工作，传感器的恢复供电时间必须小于50MS，工作电压保持在4.5V~6VDC范围中，超出此电压范围将会导致故障指示，或传感器将不能正常工作。MH-Z14是通过UART进行通讯的，模块工作于UART的从机模式，可以与外部的MCU相联。第8脚HD为校零使用，低电平有效；第4脚为DAC2输出电压范围0.4V~2V，对应气体浓度0~满量程。MH-Z14模块电路如图4所示。

3系统软件设计

3.1温湿度传感器

DHT11软件设计DHT11用的是单总线协议，每次读取DHT11的数据时，都要一次性读取40次，也就是读取40位。并且数据前16位是与湿度相关的，中间16位是与温度相关的，最后8位是用来校验的，当校验成功后，证明这一次的温湿度结果正确的，单片机就可以使用这个温湿度值；如果校验不通过，那么就代表这次读取出来的温湿度值是错误的，需要丢弃该数据，原因可能是驱动程序没有严格按时序来写，也有可能是传感损坏。第一步：主机先发送开始信号，从机会返回一个相应信号进行应答。DHT11上电后，第2脚DATA数据线由上拉电阻R30拉高一直保持高电平，此时,DATA引脚处于输入状态，不断检测外部信号。第二步：主机信号线拉高准备接收数据。先将微处理器连接DATA引脚的IO引脚设置为输出模式，并输出有效低电平维持18ms，然后将将该IO引脚设置成上拉输入状态，等待DHT11将数据线拉低作出回答有效信号。第三步：开始接收数据。当DHT11检测到DATA引脚所在数据线被拉低后，等待该低电平结束后并输出至少80us的低电平作为总线应答信号，接下来输出80us的高电平信号通知微处理器准备接收数据，微处理器接收到该信号后，开始接收数据。接收40位长的数据，其中前16位是是湿度数据，中间16位是温度数据，接下来的8位为校验数据位。第四步：结束信号。DHT11的DATA引脚输出40位数据后，继续输出低电平50微秒后转为输入状态，由于上拉电阻随之变为高电平。但DHT11内部重测环境温湿度数据，开记录数据，等待外部信号的到来。DHT11数据处理流程图如图5所示。

3.2光照度传感器

BH1750FVI驱动设计微处理器通过IIC总线向光照度传感器BH1750FVI发送起始信号，接下来向传感器进行地址分配并发送写信号。光照度传感器BH1750FVI应答后，微处理器向传感器发送内部寄存器地址，传感器采集数据后，微处理器等待应答信号到并读取光照度传感器BH1750FVI的16位数据。数据分为高位和低位，过程为微处理器通过IIC总线向传感器发送起始信号，并向传感器发送设备地址和写信号，发送完毕，微处理器等待传感器应答，微处理器得到应答信号后读取高8位数据，并发送应答信号给传感器，再读取低8位数据。传感器不发送应答信号给微处理器，微处理器停止信号发送，采集过程结束。由硬件设计可知，BH1750FVI的IIC从属地址为0100011，十六进制为0x46。往寄存器地址REG_Address里写内容的驱动函数如下：读取BH1750的16位数据的驱动程序如下，其中hbyte代表高8位，lbyte代表低8位，SlaveAddress表示设备地址。

3.3无线传感器网络组件

智能农业温室大棚控制系统节点数据的传输主要采用Zig-bee无线传感技术，各终端节点主要负责环境参数采集上传到中控系统，也需要接收中控系统传输来的指令并执行操作。建立由终端节点、路由节点以及协调器等多个Zigbee节点组成的网状型结构的Zigbee网络能有效监测和控制农业温室大棚的各环境参数。协调器主要负责网络的组建、维护、控制终端节点的加入等工作。路由器主要负责数据包的路由选择和转发。终端节点负责数据的采集和执行控制命令等，不具备路由功能。协调器通过串口中控系统进行连接交互数据。Zigbee终端节点入网流程图如图6所示。

4结论

本文针对现代农业温室大棚的技术需求，设计了一种智能温室农业大棚控制系统方案，通过传感器对个监测对象进行信号采集和调理，通过Zigbee网络传输给主控系统，完成了温湿度传感电路、光照度传感电路以及CO2浓度测试电路和Zigbee节点等的部分软硬件设计，实验结果分析表明：该系统具有良好的应用推广价值和经济效益。

参考文献

[1]刘力,鲍安红,曹树星,等.温室大棚内环境自动化控制方案设计[J].农机化研究,2013(1):90-93.

[2]孙硕硕,郭刘飞,徐志业,等.智能温室大棚控制系统设计[J].黄河科技学院学报,2019(2):77-78.

作者：张叶茂 刘红艳  符树全 单位：南宁职业技术学院机电工程学院