农业温室大棚环境智慧监测系统设计.pdf

2021年 4期 智慧农业 种植与养殖 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 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 摘要 温室 大 棚 作为 重要 的农业 设施 对 于 我 国 的农业 甚至 全 球 农业 具 有 重 大 的 意 义 而 温室 大 棚 的 温度 湿度 的 监 测 与 控 制 是 关键 问题 文章设 计 了农业 温室 大 棚环境 智 慧 监 测 系 统 使 用了 STC89C52单 片 机作为 下 位 机的 主 控 芯片 DS18B20 检 测 大 棚 内 的 温度 YL 69检 测 大 棚 内 土壤 湿度 用 LCD1602显 示 温湿度 与 温湿度 的上 下 限 通 过 ZigBee无 线 通信技术 将温 度 上 传 至 Labview上 位 机 并 在上 位 机上绘 制温度 湿度 的 变 化 曲 线 若 温度 超 越上 下 限 时 控 制 顶 膜 的 打 开 或者 闭 合 在 湿度 超 越上 下 限 时 控 制 水 泵 工 作 同时 通 过 报 警 来 提 醒 工 作人 员 通 过 测 试 本 系 统 满足 实 际需 要 具 有 广泛的 推 广 价 值 关键词 农业 温室 大 棚 环境 监 测 无 线 中图分类号 TP277 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 04 0038 04 Abstract Asanimportantagriculturalfacility greenhousesareofgreatsignificancetomycountry sagricultureandeven globalagriculture Themonitoringandcontroloftemperatureandhumidityingreenhousesarekeyissues Thispaperdesignsa wirelessmonitoringsystemforagriculturalgreenhouseenvironment usingSTC89C52single chipmicrocomputerasthemaincon trolchipofthelowercomputer DS18B20detectsthetemperatureinthegreenhouse YL 69detectsthesoilhumidityinthe greenhouse andLCD1602displaystheupperandlowerlimitsoftemperature humidityandtemperatureandhumidity uploads thetemperaturetotheLabviewhostcomputerthroughZigBeewirelesscommunicationtechnology anddrawsthechangecurveof temperatureandhumidityontheuppercomputer Ifthetemperatureexceedstheupperandlowerlimits controltheopeningor closingofthetopfilm Whenthehumidityexceedstheupperandlowerlimits controlthepumptowork andatthesametime alertthestaffthroughanalarm Throughthetest thesystemmeetsactualneedsandhasawiderangeofpromotionvalue Keywords agriculturalgreenhouse environmentalmonitoring wireless 作者简介 肖 福娟 1980 女 本 科 在 读 MEM 讲 师 研究方向 工程技术 工程 管 理 健 康 管 理 38 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 种植与养殖 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 1DS18B20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 2YL 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 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 a YL 69电路 原理 图 b 湿度检 测与 转 换 电路 原理 图 c 灌溉 电路 原理 图 d ULN2003驱 动 步 进 电 机 e LCD1602电路 f 串 口 电路 图 图 2 部 分 电路 原理 图 39 2021年 4期 智慧农业 种植与养殖 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 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 2ZigBee无 线 传 输 流 程 ZigBee的 使 用和 调 试 需要 用 到 FlashProgrammer 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 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 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 开始 初始化 LCD1602 设置温湿度上下限 检测土壤湿度 数据处理 无线通讯 湿度是否超限 启动报警 开启水泵 湿度是否超限 关闭水泵 检测温度 无线通讯 启动报警 温度是否超限 开启通风 温度是否超限 关闭通风 否 是 否 否 是 是 否 是 开始 关中断 初始化 RAM 初始化 I O口 初始化 HAL驱动 初始化 FALSH 分配 64位地址 读取 NV ITEMS 开中断 设置 TIMER OSAL任务循环 有事件发生 优先级比较 是否结束 调用事件处理程序 否 否 是 是 高 图 4ZigBee流 程 图 图 5Labview程 序结 构 下转 45页 40 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 农机与装 备 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 7LCD1602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 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 参考文献 1 杨金祥 章 海 农 业 温室大棚温湿度 控制系统的设计 J 农村经济 与 科技 2021 32 5 70 73 2 李先山 胡天让 物 联网技术在农 业 温室大棚中 的 应 用 J 现代农 机 2021 2 35 36 3 贾 海云 基于 DS18B20的智能 测 温 系统的设计 J 电 脑知 识与 技术 2021 17 9 251 252 4 宋希贤 王烨峰 姚 文 平 基于物 联网技术 的 节 水 灌溉 自动 化及 信 息 化 系统设计 J 农 业 开发 与装 备 2021 4 143 144 5 王瑞娜 潘晓贝 基于 ZigBee的 温室大棚 环境监测 系统研究设计 J 常 州信息职 业 技术 学院学报 2021 20 2 24 28 喷 头 的上 下移 动 喷药 它 对 提 升 果树 产 量 品 质 减 小喷 药人员负 担 有 极 大的 帮助 参考文献 1 FaialBS FreitasH GomesPH etal Anadaptiveapproachfor UAV basedpesticidesprayingindynamicenvironments J Computers andElectronicsinAgriculture 2017 138 210 223 2 TonaE CalcanteA ObertiR Theprofitabilityofprecisionspraying on specialty crops atechnical economicanalysis ofprotection equipmentatincreasingtechnologicallevels J PrecisionAgriculture 2018 19 4 606 629 3 BerensteinR EdanY AutomaticAdjustableSprayingDeviceforSite SpecificAgriculturalApplication J IEEETransactionsonAutomation ScienceandEngineering 2018 15 2 641 650 4 崔 龙飞 薛新宇 丁素明 等 双钟摆主被 动 悬 架 式 大型 喷 雾 机喷 杆 动 力 学 仿真 与 试验 J 农 业机 械学报 2017 48 2 82 90 5 张勇 王丽莉 一 种 农 业自 主导航 的智能 无人打 药 车 设计 J 机电 技 术 2020 4 16 19 6 殷 长 昊 农 用 打 药 车 远程 控制系统的研究与设计 D 沈阳 东北 大 学 2018 7 张岩 植 保机 器人 多 功 能作业 关键 技术 研究 D 济 南 济 南 大 学 2016 8 丁 在 兴 闫家政 胡 哲铭 等 小 型 自动喷 雾 型 林区苗圃 喷药机的设 计 J 现代农 业 科技 2020 19 165 166 9 林关成 基于 STM32的智能 平 衡小 车 控制系统设计 J 信息 技术 2021 2 44 49 10 杨 智 清 范琦 基于 LM2596芯片零 起调直流稳压 电 源 的设计 J 电 子 测 量 技术 2018 41 22 36 39 11 苏红卫 一 种 MOSFET管半桥 驱 动电路的设计 概述 J 福建 电 脑 2017 33 3 139 140 12 杨 明远 冯 金 芝 张 启涛 基于 Simulink的 随 机路 面 建 模及 验 证 J 农 业装 备 与 车 辆工 程 2019 57 12 104 107 13 程 少锋 基于 matlab simulink环境 下 仿真 生 成 路 面不平度 J 中 国 房地产 业 2017 22 234 图 8上位机 波形 图 上接 40页 45