基于单片机的温室大棚智能监控系统设计

ｆ 红 外 对 射 传 感 器 ・
一－ Ｉ 电 磁 继电 器 控 制 组ｌ
图 ２ 温 室 大 棚 数 据 采 集 单 元 框 图
Ｆｉ ｇ ．２ Ｄｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ｈ ｏ ｕ ｓ ｅ ｄ ａ ｔ ａ —ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｉ ｔ
弱 等特点 。
软件 在接 收 到多 个数 据 采 集 单元 的数 据 后 ， 可 以显 示 在用 户界 面上 。另外 ， 用 户可 以设定 温 度 、 湿度 和光 照 度 的限值 ， 系 统可 自动 将采 集 的数 据 与设 定 值 进 行 比 较， 判 断温室 大棚 中的 环 境指 标 是 否 满 足人 为设 定 的 条件 ， 进 而控 制 装 置实 现 对 环境 参 数 的修 正 。同 时软
作， 这也 是 国家 “ 菜 篮子” 工 程 所 包 括 的 内 容 ｊ 。目 前， 我 国温 室大 棚在农 作 物种 植应 用 上存 在 如下 问题 ：
１ 系统 总体 设 计
系 统 由多个 温室 大 棚 下 位 机 数 据 采 集 单元 、 数 据
传输 链 路和 系统 上位机 （ பைடு நூலகம் Ｃ机 ） 三 大 部分 组 成 ， 如图 １
韩力英 ， 杨宜菩 ， 王杨 ， 唐 红梅 ， 牛 新 环 ．基 于 单 片 机 的温 室 大棚 智 能 监控 系 统 设 计 ［ Ｊ ］ ．中 国农 机 化 学 报 ， ２ ０ １ ６ ， ３ ７ （ １ ） ：
６ ５～ ６ ８，７２ Ｈａ ｎ Ｌｉ ｙｉ ｎ ｇ，Ｙ ａ ｎｇ Ｙｉ ｐ ｕ，Ｗ ａ ｎ ｇ Ｙａ ｎｇ，Ｔａ ｎ ｇ Ｈ ｏｎ ｇｍ ｅ ｉ ， Ｎｉ ｕ Ｘｉ ｎ ｈｕａ ｎ ．Ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ｏｎ ｔ ｈｅ ｇｒ ｅ ｅ ｎｈｏ ｕｓ ｅ ｉ ｎｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇｅ ｎ ｔ ｍｏ ｎｉ ｔ ｏｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙｓ —
ｔ ａ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＭＣ Ｕ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ２ ０ １ ６ ，３ ７ （ １ ） ： ６ ５ ～６ ８ ，７ ２
０ 引 言
使用 温 室 大 棚 培 育 农 作 物 具 有 不 受 外 界 环 境 限 制、 适用 范 围广 和抗灾 能力 强 等 特点 Ｉ １ ］ 。因此 ， 依 靠 农 业科 技 ， 大力 推 广 温 室 大棚 种 植 蔬 菜 能 更 好 地 满 足 人 民生活需 要 ， 开发 出使 用 与维 护方 便 、 系统 可 扩展 性 好 的设 施农 业 环 境 自动 监 控 系 统 是 一 项 极 有 意 义 的 工
温室 大棚 内 的温 度 、 湿 度 和 光 照 度是 农 作 物 生 长
的 主要环 境指 标 ， 系 统 采 用 多个 传 感 器 完 成 了上 述 数 据 的采集 ， 同时可 以根 据 人 为设 定 的环境 指标 限值 启
集 和 显示 的 同 时 ， 将数据传输 至 Ｐ Ｃ机 的人 机 交 互 系
单 片机作 为 中 央 处 理 芯 片 （ ＭＣ Ｕ） ； 选 择 ＤＳ １ ８ Ｂ ２ ０温
Ｐ Ｃ机 的 串行 口采 用 的是 标 准 的 Ｒ Ｓ 一２ ３ ２接 口 ， 单 片 机 的串行 口 电平 是 ＴＴ Ｌ 电平 。要 实 现 Ｒ Ｓ 一４ ８ ５
串行 接 口进 行 通 信 ， 就 必 须 电平 转 换 。 系统 使 用 专 用
无 法正 常检测 到 红 外线 ， 通 过双 电压 比较器 判 断在 模
块 输 出端输 出低 电平 ， 以此 来 达 到监 视 是 否 有 人 进 人
大 棚 内部 的 目的。
２． ２ 通 信 接 口
便 用户 对历 史数 据做进 一步 分析 。
２ 系统 硬 件 设 计
温室 大棚 数 据 采 集 单 元 （ 下位机） 采 用 ＡＴ ８ ９ Ｓ ５ ２
监控 的特点 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５年 ４月 ７日 修 回 日期 ： ２ ０ １ ５年 ５月 ６日
线 接 口将数 据上 传 到 系 统上 位 机 ， 完 成 了系 统 上 位 机
＊基 金 项 目 ： 河 北 省 高 等 学 校 科 学 研 究 项 目（ Ｚ ２ ０ １ ４ ０ ８ ８ ） ； 河 北 省 自然 科 学 基 金 （ Ｅ ２ ０ １ ３ ２ ０ ２ ２ ４ ７ ） ； 河 北 省 自然 科 学 基 金 面 上项 目（ Ｆ ２ ０ １ ４ ２ ０ ２ ０ ４ ６ ）
图 １ 系 统 整 体 框 图
Ｆｉ ｇ． １ Ｓｙ ｓ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｄｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ
监 控 温室 内参 数 。为 了解 决 上 述 问题 ， 设 计 了一 种 基
于单 片机 的温 室大 棚监 控 系统 。系 统采 用 单 片机 以及 传 感 器构 成下 位机 单元 ， 在 对温 度 、 湿度 等 数 据实 时采
统 界 面进 行监 控 。系统 用 户界 面 采用 ＶＢ设 计 语 言 编
动相 应装 置实 现控 制 。为 了方便实 地 对环 境参 数 的监 视， 系统 在每 一个 大棚 进 行 了 分 布 式数 据 显 示 。考虑
到安 全 因素 ， 设 计 了红 外 门禁 系统 来 监 视 是 否 有 人进 入 大棚 内部 。每 一个温 室 大棚数 据采 集单 元 完成 环境 指标 采 集后 ， 对数 据 进 行处 理 、 打包 ， 通 过 ＲＳ 一４ ８ ５总
３ 系 统 软 件 设 计
软件 系统 设计 由数 据采集 单元 串 口通 信 和上位 机 界面 程序 两 部 分 组 成 。通 信 采 用 Ｒ Ｓ 一４ ８ ５通 信 接 口 实现 Ｐ Ｃ机 与 多个 单 片 机 的 串 口通 信 ， 界 面 程 序 则 使 用 ＶＢ开发 。系统软 件 流程如 图 ４所 示 。
件 还拥 有历 史数 据 记 录 和生 成 报 表 等人 性 化 功 能 ， 方
红外 对射传 感 器 采用 一 组 红 外 发 射 二 极 管 ， 一 组 红 外接 收二极 管 和 Ｌ Ｍ３ ９ ３双 电压 比较 器集 成 电路 组
成 。 当对 射二 极管 之 间 有 物体 挡 住 时 ， 因红 外 接 收端
中的用户 自定 义 的报 警 预设值 进 行 比较［ ６ ］ 。用 户 可 以 在上 位机 界面 设 置温 度 上 下 限 ， 系 统 自动将 预 设 值 写
第一作者 ： 韩力英 ， 女， １ ９ ７ ７年 生 ， 河北遵化人 ， 博士 ， 讲师 ； 研 究 方 向 为 数据 采 集 与信 号 处 理 等 。Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ：ｌ ｉ ｚ ｈ ｉ — ｈ ａ ｎ ＠ｈ ｅ ｂ ｕ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
中 国农 机化 学报
与 多个数 据采 集单元 的双 向通 信 。上位 机 的人 机交 互
的 Ｒ Ｓ 一２ ３ ２ ／ ４ ８ ５标 准 转 换 芯 片 ＭＡ Ｘ３ １ ６ ２ Ｅ 来 实 现 Ｐ Ｃ机 与通信 总 线 的 电平 转 换 。在单 片 机 串行 口采 用 ＭＡ Ｘ４ ８ ５芯 片进 行 转换 ， 从而建立起 Ｐ Ｃ机 与 单 片 机 的有 效 连接 。通信链 路 如 图 ３所示 。
所示 。
大 棚 内的温 湿 度 等参 数 的监 测 大 部 分 依 靠 人 工 读 取 ，
自动化 程度 低 ； 一 套 温 室 大 棚 智 能监 控 系统 设 备 的价
格昂贵、 成 本高 ， 不便于推广应用 ； 监 控 系统 对 于多 个 大 棚 的监控 管 理 和 扩展 能 力不 足 ， 不 方 便 人 们 集 中式
基 于 单 片 机 的 温 室 大 棚 智 能 监 控 系统 设 计 ＊
韩 力 英 ，杨 宜菩 ，王 杨 ，唐 红梅 ，牛 新 环
（ 河 北工 业大 学 电子信 息 工程学 院 ， 天津 市 ， ３ ０ ０ ４ ０ １ ）
摘要 ： 设 计 一 种 新 的基 于单 片机 的 温 室 大 棚 智 能 监 控 系 统 ， 用 于解 决 目前 温 室 大 棚 智 能 监 控 系 统 管 理 和 扩 展 能 力 不 足 ， 不 方 便 农 民 集 中 式 监 控 等 问 题 。系 统 采 用 单 片机 以及 外 围 传感 器 构 成 下 位 机 单 元 ， 在对温度 、 湿 度 等 数 据 实 时 采 集 的 同时 ， 通过 Ｒ ｓ 一４ ８ ５通 信 接 口将 数 据 传 输 至 Ｐ Ｃ机 的 人 机 交 互 系统 界 面 进 行 集 中 式 监 控 。 系 统 用 户 界 面具 有 多 个 温 室 大 棚 单 元 内 温湿 度 等 数 据 的 显 示 、 处理、 记 录 和 报 警 等 功 能 。反 复 实 验 表 明 ， 本 系统 具 有 反 应 迅 速 、 界面操作简单 、 自动 化 程 度 较
温 度 传 感 器
湿度传感器
Ｍ Ａ Ｘ ４ ８ ５ 芯 片 ｌ
—－ ． ｛ ｌ ２ ８ ６ ４ Ｌ ｃ Ｄ 液晶 显示器
图３ ＲＳ 一４ ８ ５通 信 链 路
Ｆｉ ｇ ．３ ＲＳ 一４ ８ ５ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｋ
光 照 度 传 感 器卜 ． Ｍ Ｃ Ｕ
第３ ７ 卷
第 １期
中 国农 机化 学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｖｏ Ｉ ＿ ３ ７ Ｎｏ ． １
２ ０ １ ６年 １ 月
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ６
度传 感器 、 ＡＭ２ ３ ０ ２温 湿度传 感器 和 Ｂ Ｈ１ ７ ５ ０ Ｆ ＶＩ 光 照
度传 感器 分别 完成对 温度 、 湿度 和光 照度 的检测 ； 采 用
１ ２ ８ ６ ４ Ｌ Ｃ Ｄ 液 晶显 示 器 显 示 温 室 大 棚 数 据 ； 门 禁 系 统
采用 红外 对射 传 感器 ； 设 备 控 制 部 分 采用 电磁 继 电器 进行 控制 。数 据采 集单元 组成 框 图如 图 ２所示 。
写， 可实 现多 个温 室大 棚单 元 内温 湿度 等数 据 的显示 、
处理 和记 录等 功能 。经 实 验表 明 ， 本 系 统 的 设 计 实 现 了对 多个 温 室 大棚 的实 时 监 控 ， 可 满 足 农 业 上 对 大 棚 监控 系 统 的要 求 ， 并具 有性 价 比高 ， 方便 扩 展 和集 中式
２ ． １ 传感 器检 测节 点
本 设 计 使 用 ＤＳ １ ８ Ｂ ２ ０温 度 传 感 器 采 集 大棚 内 温 度 。该传 感 器 采 用 一 线 总 线 与 ＭＣ Ｕ进行通讯［ ５ ］ ， 测
温范 围为 一５ ５ ℃～＋１ ２ ５ ℃ ， 在一１ Ｏ ℃ ～ ＋８ ５ ℃ 范 围
内精 度为 ±０ ． ５ ￣ Ｃ。ＤＳ １ ８ Ｂ ２ ０的 内部结 构 有 非 易 失 性 温度 报警 触发器 ＴＨ 和 ＴＬ， 配置 寄存 器 ， 每 当传 感 器 完成 一次 温度 转换 后 ， 就 拿温 度值 与存储 在 ＴＨ 和 ＴＬ
高、 方 便 扩 展 和集 中式 监控 等 特 点 ， 可 满 足 农 业 上 对 温 室 大 棚 监 控 系 统 的要 求 。
关键 词 ： 温室大棚 ； 单片机 ； 数据采集 ； 集 中式 监 控 ； 人 一 机 交 互 系统 中图分类号 ： ＴＰ ２ ７ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５ — ５ ５ ５ ３ （ ２ ０ １ ６ ）０ １ — ０ ０ ６ ５ — ０ ５