Agricultural Machinery and Agronomy 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 2021 年9月下 0 引言 隨著國(guó)家西部大開發(fā)以及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出 農(nóng)業(yè)作為立國(guó)之本 強(qiáng)國(guó)之基 農(nóng)業(yè)怎么提高智能化 管理水平也逐漸成為重要的要素之一 在農(nóng)業(yè)方面 大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)等研究正適應(yīng)這樣的要求 此類研究主 要集中在實(shí)現(xiàn)低功耗的無線信息收集與展示 1 而在 信號(hào)收集之外 對(duì)能否自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的一些參數(shù) 也有了更高的要求 在農(nóng)業(yè)大棚的智能化管理領(lǐng)域 隨著現(xiàn)代農(nóng)作物對(duì)光照 溫度 濕度的要求日益提 高 特別是一些重要的經(jīng)濟(jì)作物對(duì)以上要素又有著 較高要求 其形成的規(guī)模效益也日益明顯 傳統(tǒng)的大 棚已經(jīng)不能適應(yīng)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)要素的精確控制 因 此 筆者提出了基于單片機(jī)控制的農(nóng)業(yè)溫室自動(dòng)調(diào) 節(jié)系統(tǒng) 在大棚用于農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程中 一開始只是單 純地將農(nóng)作物直接栽種到大棚中 實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的 保溫和保持水分的作用 但這種傳統(tǒng)模式存在一些 問題 比如 傳統(tǒng)大棚雖然能夠保溫 但是對(duì)于一些 對(duì)溫度要求較為嚴(yán)格的作物往往出現(xiàn)溫度過高或過 低的情況 難以使農(nóng)作物在最佳環(huán)境下生長(zhǎng) 再比 如 傳統(tǒng)大棚雖然能夠保持一定的水分 但是對(duì)于一 些對(duì)土壤濕度要求較為嚴(yán)格的作物往往出現(xiàn)濕度過 高或過低的情況 同樣難以使農(nóng)作物在最佳環(huán)境下 生長(zhǎng) 考慮到單片機(jī)相比于PLC成本較低 以及單片 機(jī)的其他一些優(yōu)點(diǎn) 將通過單片機(jī)編程的簡(jiǎn)易性 對(duì) 環(huán)境較強(qiáng)的可適性和方便的環(huán)境搭建作為設(shè)計(jì)基 礎(chǔ) 考慮到傳統(tǒng)的溫室大棚難以較為準(zhǔn)確控制溫濕 度和光照強(qiáng)度 提出以單片機(jī)為基礎(chǔ) 以傳感器檢測(cè) 溫度 濕度 光照強(qiáng)度 進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)大小 控制澆灌 閥門啟閉 控制遮陽棚大小 達(dá)到有效且較為精確地 調(diào)節(jié)溫度 濕度 光照強(qiáng)度的目的 以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能 化 給作物提供更好的生長(zhǎng)環(huán)境 1 基于單片機(jī)的溫室設(shè)計(jì)方案 目前 基于單片機(jī)在溫室大棚中的應(yīng)用 可以通 過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境監(jiān)測(cè)等 2 而要實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)控制 單片機(jī)作為控制單元必不可少 單片機(jī) 可以實(shí)現(xiàn)上述的控制設(shè)想 將 51 單片機(jī)作為控制系 統(tǒng)的主控單元 傳感器在接收到溫度 濕度 光照強(qiáng) 度等模擬量信號(hào)后 通過信號(hào)線傳遞給數(shù)據(jù)采集卡 該采集卡支持至少四路的模擬量輸入 通過 A D 轉(zhuǎn) 換接口 該采集卡可以實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)的輸入 數(shù)字 量信號(hào)的輸出 得到的數(shù)字量信號(hào)將作為上位機(jī) LabVIEW的輸入信號(hào) 并在進(jìn)行處理后輸出到單片 機(jī)作為控制信號(hào) 對(duì)于傳感器采集到的信號(hào)輸入到 采集卡 包括溫度 濕度 光照強(qiáng)度在內(nèi)的三組模擬 量滿足采集卡接口要求 采集卡將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù) 字量之后 通過數(shù)字量輸出模塊將信號(hào)傳遞給單片 機(jī)處理 從而輸出到伺服驅(qū)動(dòng)器 完成對(duì)伺服電機(jī)的 驅(qū)動(dòng) 進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小 最終達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的 目的 以風(fēng)機(jī)為例 基于單片機(jī)的溫室控制系統(tǒng)圖 如圖1所示 圖1 基于單片機(jī)的溫室控制系統(tǒng)圖 作者簡(jiǎn)介 王海旭 1989 男 四川南充人 碩士 助教 研究方 向?yàn)樾盘?hào)處理與模式識(shí)別 基于單片機(jī)的農(nóng)業(yè)溫室控制設(shè)計(jì) 王海旭 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628000 摘 要 為了響應(yīng)國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略 提升農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和智能化管理水平 筆者通過給農(nóng)業(yè)大棚增加單片機(jī)控制系統(tǒng) 在 普通大棚的基礎(chǔ)上 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能控制溫度 濕度和光照強(qiáng)度等作物必要的生長(zhǎng)要素 通過傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù) 控制器處 理數(shù)據(jù) 對(duì)偏差進(jìn)行輸出達(dá)到控制風(fēng)機(jī) 控制澆灌閥門 控制遮陽棚的目的 仿真結(jié)果表明 農(nóng)業(yè)溫室單片機(jī)智能控制系 統(tǒng)可以有效調(diào)節(jié)溫度 濕度和光照強(qiáng)度 實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物在最適宜的條件下生長(zhǎng) 關(guān)鍵詞 鄉(xiāng)村振興 單片機(jī)控制 傳感器 溫室 中圖分類號(hào) S625 TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1672 3872 2021 18 0050 03 50 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 Agricultural Machinery and Agronomy2021年9月下 2 傳感器檢測(cè)與控制 傳感器屬于檢測(cè)環(huán)節(jié)的基本單元 如果說 51 單 片機(jī)相當(dāng)于人類的中樞大腦 那傳感器就像人類的 眼睛 耳朵 鼻子等感覺器官 主要通過傳感器對(duì)模 擬量的檢測(cè) 然后通過 A D 轉(zhuǎn)換接口將模擬量轉(zhuǎn)換 為數(shù)字量 檢測(cè)的模擬量包含溫度 濕度 光照強(qiáng)度 1 通過溫度傳感器對(duì)空氣的溫度進(jìn)行檢測(cè) 如果檢 測(cè)值溫度高于設(shè)定值 則單片機(jī)控制器啟動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì) 溫室進(jìn)行通風(fēng)換氣使之降溫 反之 如果檢測(cè)到的溫 度低于設(shè)定值 則單片機(jī)控制器關(guān)閉風(fēng)機(jī)使溫室在 光照條件下逐漸升溫 2 通過濕度傳感器對(duì)土壤的 濕度進(jìn)行檢測(cè) 如果檢測(cè)到的濕度高于設(shè)定值 則單 片機(jī)控制器關(guān)閉控制澆灌的電磁閥門 使土壤濕度 在一定條件下逐漸減小 反之 如果檢測(cè)到的濕度低 于設(shè)定值 則單片機(jī)控制器開啟控制澆灌的電磁閥 門 使水流進(jìn)入土壤 使土壤濕度逐漸達(dá)到設(shè)定值 3 通過光敏傳感器對(duì)溫室的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè) 如 果檢測(cè)到的光照強(qiáng)度高于設(shè)定值 則單片機(jī)控制器 打開遮陽棚使溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度減弱 反之 如果檢 測(cè)到的光照強(qiáng)度低于設(shè)定值 則單片機(jī)控制器關(guān)閉 遮陽棚使溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度升高 3 以土壤濕度控制為例闡明該系統(tǒng)原理 溫度與 光照控制與此類似不再贅述 因?yàn)橥寥罎穸鹊淖兓?會(huì)使電子式濕度傳感器從土壤中吸水而引起本身電 容值 電阻值的變化 通過這種變化達(dá)到測(cè)量的目 的 故可用一個(gè)濕度傳感器來檢測(cè)并確定土壤濕度 然后 把濕度傳感器檢測(cè)到的電信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī) 在單片機(jī)中對(duì)設(shè)定的濕度值和檢測(cè)到的值進(jìn)行比較 得到偏差 將偏差結(jié)果輸出 對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié) 使 其根據(jù)濕度大小輸出不同的控制信號(hào) 最后 通過該 控制電信號(hào)對(duì)電控的電磁閥進(jìn)行通斷電設(shè)置 此電 磁閥可采用三位電磁閥 即全開 全閉 半開三種狀 態(tài) 從而調(diào)節(jié)了灌溉水管的閥門開度 達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)水 量的目的 3 程序流程設(shè)計(jì) 系統(tǒng)開始運(yùn)行后 首先傳感器開始通電工作 對(duì) 溫度 濕度 光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè) 然后將傳感器檢測(cè) 到的值傳入單片機(jī) 在單片機(jī)中進(jìn)行判定 判定結(jié)果 有以下兩種情況 1 當(dāng)前值和設(shè)定值一樣時(shí) 程序直接返回到初 始位置進(jìn)一步檢測(cè) 2 當(dāng)前值和設(shè)定值不一樣時(shí) 系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)到的 值進(jìn)行運(yùn)算 將運(yùn)算后的結(jié)果即偏差轉(zhuǎn)換成模擬量 輸入的電信號(hào) 調(diào)節(jié)被控對(duì)象如風(fēng)機(jī) 改變被控量如 風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小 同時(shí) 實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度值 直到檢測(cè) 值和設(shè)定值一樣 圖2 溫度控制系統(tǒng)程序流程圖 系統(tǒng)根據(jù)情況進(jìn)行被控量的調(diào)節(jié) 控制模擬量 如溫度 濕度 光照強(qiáng)度等的大小 直到被控量恢復(fù) 到設(shè)定值 如圖2所示 為溫度控制的系統(tǒng)程序流程 圖 濕度與光照控制與此類似 1 系統(tǒng)開始正常運(yùn)行 以后 溫度傳感器開始實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前溫度值 當(dāng)測(cè)得 的溫度值符合設(shè)定值時(shí) 單片機(jī)控制器判斷不需要 執(zhí)行后續(xù)操作 則跳轉(zhuǎn)到程序的開始位置 繼續(xù)檢測(cè) 溫度 當(dāng)檢測(cè)到的溫度值不符合設(shè)定值時(shí) 系統(tǒng)對(duì)檢 測(cè)到的值進(jìn)行運(yùn)算 將運(yùn)算后的結(jié)果即偏差轉(zhuǎn)換成 模擬量輸入的電信號(hào) 調(diào)節(jié)被控對(duì)象如風(fēng)機(jī) 系統(tǒng)將 啟動(dòng)風(fēng)機(jī) 開始進(jìn)行通風(fēng)進(jìn)而改變被控量如風(fēng)機(jī)的 風(fēng)量大小 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié) 同時(shí) 實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度 值 直到檢測(cè)值和設(shè)定值一樣后進(jìn)一步檢測(cè)溫度 判 斷溫度是否符合設(shè)定值 進(jìn)行循環(huán)判斷 2 進(jìn)行濕度 判斷時(shí) 系統(tǒng)開始正常運(yùn)行后 濕度傳感器開始實(shí)時(shí) 檢測(cè)濕度 當(dāng)測(cè)得的濕度符合設(shè)定值時(shí) 單片機(jī)控制 器判斷不需要執(zhí)行后續(xù)操作 則跳轉(zhuǎn)到程序的開始 位置 繼續(xù)檢測(cè)濕度 當(dāng)檢測(cè)的濕度值不符合設(shè)定值 時(shí) 系統(tǒng)將啟動(dòng)變頻器閥門 開始進(jìn)行灌溉澆水進(jìn)而 對(duì)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié) 最后 通過該控制電信號(hào)對(duì)電控的 電磁閥進(jìn)行通斷電設(shè)置 從而調(diào)節(jié)了灌溉水管的閥 門開度 達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)水量的目的 調(diào)節(jié)后進(jìn)一步檢測(cè) 51 Agricultural Machinery and Agronomy 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 2021 年9月下 土壤濕度 判斷濕度是否符合設(shè)定值 進(jìn)行循環(huán)判 斷 3 進(jìn)行光照強(qiáng)度判斷時(shí) 系統(tǒng)開始正常運(yùn)行后 光敏傳感器開始實(shí)時(shí)檢測(cè)光照強(qiáng)度 當(dāng)測(cè)得的光照 強(qiáng)度符合設(shè)定值時(shí) 單片機(jī)控制器判斷不需要執(zhí)行 后續(xù)操作 則跳轉(zhuǎn)到程序的開始位置 繼續(xù)檢測(cè)光照 強(qiáng)度 當(dāng)檢測(cè)的光照強(qiáng)度不符合設(shè)定值時(shí) 系統(tǒng)將啟 動(dòng)遮光棚 開始調(diào)節(jié)遮光棚的開閉進(jìn)而對(duì)光照強(qiáng)度 進(jìn)行調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)后進(jìn)一步檢測(cè)光照強(qiáng)度 判斷光照強(qiáng) 度是否符合設(shè)定值 進(jìn)行循環(huán)判斷 4 4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) LabVIEW作為美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的圖形化 編程語言 多采用圖形的形式替代了文本語言進(jìn)行 圖形化的編程 其中 VI的含義即虛擬儀器工程 也 就是通過電腦上的各種圖形去代表實(shí)驗(yàn)室中各類硬 件的程序模塊 該語言有編程的可視化 圖形化 模 塊調(diào)用的方便性等優(yōu)點(diǎn) 比如 同樣的模塊功能 用 C 語言可能要幾十甚至上百行代碼 但是通過 LabVIEW的編程往往只需要直接調(diào)用模塊的內(nèi)容即 可 省去了復(fù)雜的語言編程環(huán)節(jié) 該語言誕生的背景 就是給測(cè)試工程師們使用的開發(fā)語言 旨在幫助科 學(xué)家和工程師解決問題 提高生產(chǎn)力和創(chuàng)新力 本研 究選用 LabVIEW 作為上位機(jī)軟件主要也是運(yùn)用其 便利的圖形化編程方式和簡(jiǎn)便直觀的前后面板的顯 示 將大大有利于和51單片機(jī)進(jìn)行軟硬件的結(jié)合 該控制系統(tǒng)為了方便監(jiān)測(cè)溫濕度 光照強(qiáng)度等 數(shù)據(jù) 有必要進(jìn)行上位機(jī)的搭建 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控或調(diào) 節(jié)控制參數(shù)的目的 控制系統(tǒng)通過采集卡采集來自 傳感器的模擬量信號(hào)后 該采集卡也保持與上位機(jī) PC的連接 該 PC 軟件通過 LabVIEW 進(jìn)行設(shè)計(jì) 主 要功能包含前面板的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè) 以及后面板的信號(hào) 濾波 放大 卷積等 經(jīng)過LabVIEW設(shè)計(jì)的圖形化語 言運(yùn)算后 通過 PC連接51單片機(jī)的串口通信模塊 的方式 把運(yùn)算結(jié)果傳遞給單片機(jī) 5 該過程的重點(diǎn)為 除了編輯基本的信號(hào)處理程 序外 還需要在 LabVIEW 進(jìn)行調(diào)試 進(jìn)行接口函數(shù) 設(shè)置 從而使PC和51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信 實(shí)際上 得 益于LabVIEW函數(shù)庫(kù)的強(qiáng)大 在實(shí)現(xiàn)虛擬儀器對(duì)單 片機(jī)的連接過程中 LabVIEW 本身所帶有的函數(shù)庫(kù) 就足以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信 由于傳感器會(huì)實(shí)時(shí)采 集信號(hào)并通過采集卡傳遞給上位機(jī) 只要注意庫(kù)函 數(shù)連接時(shí)不用靜態(tài)連接 選擇通過虛擬儀器本身提 供的動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)連接進(jìn)行上位機(jī)與單片機(jī)的通信 6 信號(hào)檢測(cè)與處理工作原理圖如圖3所示 圖3 信號(hào)檢測(cè)與處理工作原理圖 5 結(jié)論 溫室大棚的智能化控制設(shè)計(jì) 積極響應(yīng)了國(guó)家 的鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略 有利于提高糧食安全 特別是中西 部地區(qū)的開發(fā) 現(xiàn)如今 大棚的智能化程度有待提 高 同時(shí)控制溫度 濕度 光照強(qiáng)度的智能溫室更是 少見 而相比于PLC的大棚控制系統(tǒng) 單片機(jī)有著成 本低 調(diào)試方便 可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 該研究為了使 農(nóng)作物在更適宜的條件下生長(zhǎng) 更適應(yīng)國(guó)家對(duì)于鄉(xiāng) 村振興的要求 以 51 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)主控單 元 傳感器在接收溫度 濕度 光照強(qiáng)度等模擬量信 號(hào)后 將模擬量的信號(hào)通過信號(hào)線傳遞給數(shù)據(jù)采集 卡 數(shù)據(jù)采集卡將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后 通過數(shù) 字量輸出模塊將信號(hào)傳遞上位機(jī)軟件進(jìn)行處理 信 號(hào)經(jīng)過上位機(jī)處理運(yùn)算后傳輸給單片機(jī)作為控制信 號(hào) 當(dāng)前值和設(shè)定值一樣時(shí) 程序直接返回到初始位 置進(jìn)一步檢測(cè) 當(dāng)前值和設(shè)定值不一樣時(shí) 系統(tǒng)對(duì)檢 測(cè)到的值進(jìn)行運(yùn)算 將運(yùn)算后的結(jié)果即偏差轉(zhuǎn)換成 模擬量輸入的電信號(hào) 調(diào)節(jié)被控對(duì)象 改變被控量大 小 同時(shí)繼續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前值 直到檢測(cè)值和設(shè)定值 一樣 進(jìn)而輸出到伺服驅(qū)動(dòng)器 完成對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū) 動(dòng) 完成控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量 灌溉裝置 遮光棚等 最終達(dá) 到調(diào)節(jié)被控量的目的 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可操作性強(qiáng) 可適 應(yīng)性強(qiáng) 可以較好地適應(yīng)西部山區(qū)的復(fù)雜農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 環(huán)境 參考文獻(xiàn) 1 蔡文斌 蘇義鑫 基于農(nóng)業(yè)大棚低功耗無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) J 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2008 4 549 552 2 張開生 田開元 呂明 等 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2015 35 6 805 811 3 吳舟 基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn) D 北京 北京郵電大學(xué) 2013 4 蘭瑞莉 劉成安 毛跟勇 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 中的應(yīng)用 J 電腦知識(shí)與技術(shù) 2009 5 28 7868 7869 5 周寶龍 岳繼光 蕭蘊(yùn)詩(shī) 基于 CAN 控制器的單片機(jī)農(nóng)業(yè)溫 室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 測(cè)控技術(shù) 2000 12 19 21 6 寧玉偉 李明剛 何玉靜 等 基于單片機(jī)控制的定量灌溉系 統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2010 44 3 311 313 傳感器 AD轉(zhuǎn)換 采集設(shè)備 控制器 計(jì)算機(jī) 信號(hào)處理 52