農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

第34卷 第4期2019年12月邢臺(tái)學(xué)院學(xué)報(bào)JOUNAL OF XINGTAI UNIVESITYVol 34，No4Dec 2019收稿日期20190812基金項(xiàng)目2018年邢臺(tái)市科技局課題:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究項(xiàng)目編號(hào):2018ZC055;2018 年邢臺(tái)學(xué)院教改課題:基于創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式改革研究項(xiàng)目編號(hào):JGZ18002;2018年邢臺(tái)學(xué)院科研課題:地方高校新工科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐體系的構(gòu)建研究，課題編號(hào): XTXYYB003; 高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，課題編號(hào):XTXYYB005作者簡(jiǎn)介王曉旭( 1984)，女，河北省河間人，講師，碩士研究生，主要從事自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)與研究農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)王曉旭，王承林，成燕平(邢臺(tái)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，河北邢臺(tái) 054001)摘 要: 為便于對(duì)溫室農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理，設(shè)計(jì)一種農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于STC15F2K60S2單片機(jī)的下位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，包括DHT11溫濕度、MG811二氧化碳、BH1750光照強(qiáng)度、ML8511紫外線和YL69土壤濕度五種傳感器模塊。傳感器將采集到的環(huán)境因子傳送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸和報(bào)警，同時(shí)控制LCD12864液晶屏顯示。上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件制作基于MATLAB GUI (圖形用戶界面)，與單片機(jī)進(jìn)行串口通信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制，并且該軟件還具有保存數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)等功能，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，有很好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞: MATLAB GUI; STC15F2K60S2單片機(jī); 傳感器; 串口通信中圖分類號(hào): S12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào): 16724658(2019)04018006二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、紫外線強(qiáng)度、土壤濕度、空氣溫濕度等環(huán)境因子直接影響著植物的光合作用、病蟲害發(fā)生率、種子發(fā)芽率、有機(jī)物產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收等生長(zhǎng)因素，利用溫室技術(shù)的研究來提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，為作物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境意義重大。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)往往根據(jù)感知和經(jīng)驗(yàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行干預(yù)控制，數(shù)據(jù)掌握不準(zhǔn)確、不科學(xué)，并且會(huì)造成人力和物質(zhì)資源的浪費(fèi)。通過在農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)靈活部署多種傳感器設(shè)備，基于單片機(jī)對(duì)溫室內(nèi)與農(nóng)作物生長(zhǎng)密切相關(guān)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集和顯示，上位機(jī)采用Matlab開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)PC機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的集中監(jiān)測(cè)1。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，并且檢測(cè)精度較高，節(jié)省勞動(dòng)時(shí)間，成本低，效率高，同時(shí)更有利于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)種植。一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)主要分為兩部分: (1) 下位機(jī)傳感檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)及制作; (2) 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件編寫。系統(tǒng)總體方案如圖 1 所示。五種傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)六種環(huán)境參數(shù)的變化，經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后，一方面送液晶屏幕顯示，另一方面經(jīng)串口通信傳輸?shù)絇C端上位機(jī)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。按鍵可進(jìn)行單個(gè)參數(shù)的切換檢測(cè)和顯示控制，并且任一參數(shù)超過限定值時(shí)系統(tǒng)會(huì)蜂鳴器報(bào)警2。二、檢測(cè)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路原理圖如圖 2 所示。硬件電路由 8部分組成，分別是單片機(jī)、按鍵、數(shù)據(jù)口、傳感圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖器、顯示器、蜂鳴器、3. 3 V和6 V電源電路3。(一) 單片機(jī)最小系統(tǒng)本設(shè)計(jì)選用 STC15 系列的 STC15F2K60S2 型號(hào)單片機(jī)，具有 864KB的 Flash 程序存儲(chǔ)器，8通道高速 10 位 ADC，速度可達(dá)到 30 萬次每秒，是傳統(tǒng)的51單片機(jī)的812倍。其內(nèi)部具有專用復(fù)位電路、C振蕩器等模塊，VCC 接5 V，GND端接地，即組成單片機(jī)最小系統(tǒng)，不需要附加晶振和復(fù)位電路。該單片機(jī)共有40個(gè)引腳，38個(gè)I/O，兩個(gè)完全獨(dú)立的串口/雙串口，分時(shí)切換可當(dāng)4個(gè)串口使用。(二) 傳感器電路本設(shè)計(jì)共選用五個(gè)傳感器，用于檢測(cè)六種環(huán)境因子。1 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器DHT11包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC第4期 王曉旭，等:農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 181圖2 系統(tǒng)原理圖測(cè)溫元件，其DATA數(shù)據(jù)輸出引腳接單片機(jī)P4.5口。2 MG811二氧化碳傳感器本設(shè)計(jì)選用圖 3 所示的 MG811 傳感器模塊，該模塊的工作電壓是 6 V，其探頭對(duì) CO2靈敏度高，當(dāng)外界溫度或濕度變化時(shí)仍能具有良好的穩(wěn)定性，可以應(yīng)用到多種環(huán)境 CO2濃度的檢測(cè)。MG811為固體電解質(zhì)傳感器，探頭輸出的電壓為3050 mV，為方便檢測(cè)須外加電路進(jìn)行放大，信號(hào)經(jīng)CA3140放大后由 AO 口 (模擬電壓輸出口)輸出，電壓范圍 02 V，二氧化碳濃度越高，該電壓越低，測(cè)量濃度范圍是010000 ppm。給二氧化碳傳感器模塊供電，充分預(yù)熱后，輸出開始穩(wěn)定，將 CO2濃度轉(zhuǎn)換為模擬電壓，經(jīng)AOUT端口傳送至單片機(jī)P1. 1口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)圖4所示二氧化碳濃度與輸出電壓之間的關(guān)系，進(jìn)行數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)CO2濃度的檢測(cè)。圖3 二氧化碳傳感器模塊實(shí)物圖3 GY-ML8511紫外線傳感器ML8511將光電流轉(zhuǎn)化成與之成正比的模擬量電壓值來檢測(cè) UV (紫外線) 強(qiáng)度，其 VIN 端口和EN端口同時(shí)接5 V電源，模擬量輸出端口OUT182 邢臺(tái)學(xué)院學(xué)報(bào) 第34卷圖4 二氧化碳濃度與輸出電壓關(guān)系圖和單片機(jī)P1. 2 口連接，用以 AD 轉(zhuǎn)換，根據(jù)圖 5所示特性將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的UV強(qiáng)度。圖5 紫外線強(qiáng)度輸出電壓特性4 BH1750光照強(qiáng)度傳感器BH1750是一款 IIC 接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，該傳感器的分辨率高，測(cè)量光照強(qiáng)度的變化范圍較大并且受紅外影響小，具有功率低、電流小的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用的是 GY30光照度檢測(cè)模塊，采用5 V 電源供電，其 SCL 引腳接單片機(jī)P2. 6 口，用來定義 IIC 時(shí)鐘引腳，SDA 引腳接單片機(jī) P2. 7 口，用來定義 IIC 數(shù)據(jù)引腳，ADD接GND。5 YL69土壤濕度傳感器傳感器表面用鍍鎳處理，不容易生銹，使用時(shí)間長(zhǎng)，利用三極管的電流放大原理，輸出電壓隨著土壤濕度升高而增大。所采用的四線制傳感器模塊的AOUT模擬量輸出端口和單片機(jī)P1. 3 口連接，經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換，將電壓值轉(zhuǎn)換為土壤濕度值，DOUT數(shù)字量輸出端口本次設(shè)計(jì)未接線，留作備用。(三) 電源電路本系統(tǒng)單片機(jī)、DHT11、BH1750、YL69傳感器等電路需要5V 電源供電，可直接由供電電源(電池、USB、移動(dòng)電源等) 提供。此外，CO2檢測(cè)模塊MG811需要6 V電壓，5 V轉(zhuǎn)6 V電路設(shè)計(jì)圖中選用XL6009升壓穩(wěn)壓模塊，模塊原理圖如圖6所示，輸入電壓332 V，輸出電壓535 V，其輸出電壓計(jì)算公式為VOUT=1. 25* (1+2/1)。圖6 XL6009原理圖紫外線ML8511模塊需要3. 3 V電源供電，本設(shè)計(jì)采用穩(wěn)壓芯片 ASM1117 實(shí)現(xiàn)5 V 轉(zhuǎn)3. 3 V 電路。ASM1117系列穩(wěn)壓器可以工作在較低的輸入電壓下，如 ASM1117 3. 3的最低工作電壓是4. 44. 8 V，而 LM317 輸出 3. 3 V 電壓時(shí)要求最低輸入電壓為5. 36. 3 V。(四) 按鍵電路本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了K1K6功能按鍵，分別連接單片機(jī) P3. 2 P3. 7 引腳，對(duì)應(yīng)功能為 CO2濃度、空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、紫外線檢測(cè)模式及由單項(xiàng)檢測(cè)模式返回主界面。(五) 超限報(bào)警電路環(huán)境參數(shù)過高、過低都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，為使本系統(tǒng)有更好交互性，設(shè)計(jì)加入了超限電路，由5 V電源供電，輸入與單片機(jī) P2. 5 口相連，檢測(cè)到任一參數(shù)超過了預(yù)定范圍，蜂鳴器會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)警，提醒管理人員或控制設(shè)備進(jìn)行干預(yù)控制。(六) 串口通信電路數(shù)據(jù)傳輸接口采用CH340 芯片的USB 轉(zhuǎn)串口TTL模塊，用作和上位機(jī)的串口通信和單片機(jī)程序下載器。下載器與單片機(jī)的 VCC 和 GND 對(duì)應(yīng)連接，可為單片機(jī)提供5 V工作電源，TXD、XD分別接單片機(jī)的P3. 0、P3. 1口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。三、檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)(一) 主程序設(shè)計(jì)首先進(jìn)行頭文件的聲明，各變量、數(shù)組的定義，以及單片機(jī)引腳定義，進(jìn)行各傳感器和液晶屏的初始化，控制各個(gè)傳感器檢測(cè)環(huán)境因子，同時(shí)串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，實(shí)時(shí)檢測(cè)參數(shù)是否超過預(yù)定范圍，如果超過則報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警提醒。檢測(cè)K1-K5是否按下，若 K1-K5 按下則進(jìn)入對(duì)應(yīng)的第4期 王曉旭，等:農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 183環(huán)境因子檢測(cè)界面，進(jìn)行單個(gè)參數(shù)處理顯示。如果K6按下，則返回主界面。系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。圖7 系統(tǒng)主程序流程圖(二) 單片機(jī)串口通信模塊程序設(shè)計(jì)串口通信部分硬件設(shè)備要求較簡(jiǎn)單，軟件部分串口通信主要是對(duì) STC15F2K60S2 單片機(jī)串口控制寄存器SCON和選擇寄存器 PCON 進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)、標(biāo)志位、波特率、工作方式進(jìn)行設(shè)置。通過發(fā)送緩沖器SBUF，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC ( MATLAB 監(jiān)控軟件) 上，由 PC 上軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和進(jìn)一步處理4。串口通信部分程序如下:void init_ uart () / /串口初始化SCON=0x50; / /8位數(shù)據(jù)，可變波特率AUX | =0x04; / /定時(shí)器2時(shí)鐘為Fosc，即1TT2L=0xE0; / /設(shè)置低八位初值T2H=0xFE; / /設(shè)置高八位初值A(chǔ)UX | =0x01; / /串口1選擇定時(shí)器2為波特率發(fā)生器AUX | =0x10; / /啟動(dòng)定時(shí)器2EA=1;void SeriPushSend (uchar send_ data) / /串口發(fā)送函數(shù)SBUF=send_ data; / /發(fā)送數(shù)據(jù)while (! TI); / /等待發(fā)送結(jié)束TI=0; / /清零TI四、上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)基于 MATLAB GUI 軟件制作 PC 端上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，由兩部分構(gòu)成，其中 FIG 文件: 包含界面控件布局設(shè)計(jì)及其對(duì)象屬性設(shè)置; M 文件: 界面的主程序及回調(diào)函數(shù)子程序。根據(jù)本監(jiān)測(cè)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)其界面如圖8所示5。圖8 監(jiān)測(cè)軟件控件圖184 邢臺(tái)學(xué)院學(xué)報(bào) 第34卷各控件功能如下: “打開串口”控件，用來配置串口一些初始數(shù)據(jù)，打開串口調(diào)用 EveBytesAv-ailableFcn ( ) 函數(shù)，等待讀取串口中的數(shù)據(jù)。Pop-up Menu下拉菜單控件，“串口號(hào)”用來選擇串口，“數(shù)據(jù)位”用來選擇數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)， “波特率”、“奇偶校驗(yàn)位”和“停止位”用來配置串口通信參數(shù)。 “接收區(qū)”Listbox 控件用于實(shí)時(shí)顯示串口接收的環(huán)境參數(shù)，每接收一次數(shù)據(jù)換一行。“清空接收區(qū)”可清除文本框中的數(shù)據(jù)。 “坐標(biāo)軸”axes1axes6 分別用來繪制溫度、土壤濕度、CO2濃度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、紫外線強(qiáng)度的數(shù)值實(shí)時(shí)走勢(shì)圖像?！扒宄龍D像”可清除6個(gè)坐標(biāo)軸上已經(jīng)繪制的圖像?！氨４鏀?shù)據(jù)”用來將文本框中已經(jīng)接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地硬盤文件夾中，并按照保存時(shí)間命名，方便查詢和調(diào)取。 “調(diào)取數(shù)據(jù)”則是將已經(jīng)保存的歷史數(shù)據(jù)調(diào)取出來重新顯示到文本框中，并重新畫圖?！瓣P(guān)閉串口”控件是將配置關(guān)閉，進(jìn)而關(guān)閉串口?！巴顺觥笨丶峭顺鯣UI界面。界面功能實(shí)現(xiàn)中一個(gè)主要的函數(shù)是“打開串口”pbOpenSerial_ Callback ()，該函數(shù)可實(shí)現(xiàn)打開串口，串口通信參數(shù)配置，讀串口數(shù)據(jù)回調(diào)函數(shù) EveBytesAvailableFcn () 調(diào)用，部分內(nèi)容如下6:function EveBytesAvailableFcn (t，event，handles)if s BytesAvailable0a=fscanf (s);%取出串口中數(shù)據(jù)d=strvcat ( get ( handles edit，string)，num2str (a) )set (handles edit，string，d); 接收區(qū)數(shù)據(jù)顯示f=textscan (a，%d%d%d%d%d%d r n);x，y，z，x1，x2，x3 = deal ( f : ) %數(shù)據(jù)分配到六個(gè)變量: x 溫度，y 濕度，z 土壤濕度，x1光照強(qiáng)度，x2 CO2，x3紫外線強(qiáng)度e (count，:) = cell2mat (f)count=count+1;axes (handles axes1);%坐標(biāo)軸1hold on;plot (handles axes1，e (:，1)，b);% x變量溫度曲線繪制grid on;%其余五個(gè)變量曲線繪制與下位機(jī)檢測(cè)裝置通信，監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。圖9 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行結(jié)果五、結(jié)語本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)和 MATLAB 軟件設(shè)計(jì)并制作了農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)、傳輸、顯示、保存及調(diào)取等功能。本系統(tǒng)耗電量小，可長(zhǎng)期不斷電工作，基本滿足農(nóng)業(yè)溫室對(duì)環(huán)境指標(biāo)的檢測(cè)需求，便于實(shí)施科學(xué)種植。且該系統(tǒng)擴(kuò)展性好，如需擴(kuò)展檢測(cè)參量只需增設(shè)對(duì)應(yīng)傳感模塊，并進(jìn)行軟件修改即可實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，改變環(huán)境因子對(duì)應(yīng)的變量閾值(下轉(zhuǎn)第188頁)188 邢臺(tái)學(xué)院學(xué)報(bào) 第34卷的標(biāo)準(zhǔn)化顯示等。參考文獻(xiàn):1Wang，Y，Liu，Y，Zhang，H，Wang，H，Guo，J，Zhang，E，Wang，J，and Li，X Temperature variabilityinferred from tree-ring records in Weichang region，China，and its teleconnection with large-scale climate forcingJClimate Dynamics，2018，52(34): 153315452Wang，Y and Liu，Y econstruction of March-June pre-cipitation from tree rings in central Liaoning，ChinaJClimate Dynamics，2017，49(9): 311131213Maxwell，JT and Harley，GL Increased tree-ring networkdensity reveals more precise estimations of sub-regional hy-droclimate variability and climate dynamics in the Midwest，USAJ Climate Dynamics，2017，49(4): 147914934Fang，K，Guo，Z，Chen，D，Linderholm，HW andLi，J Drought variation of western Chinese Loess Plateausince 1568 and its linkages with droughts in western NorthAmerica J Climate Dynamics，2017，49( 11 12):383938505Fritts，H C Tree ings and ClimateM BlackburnPress，Caldwell，New Jersey; 20016Cook，E，Meko，DM，Stahle，DW and Cleaveland，MK Drought reconstructions for the continental UnitedStatesJ Journal of Climate，1999，12(4): 114511627譚緒泉，谷建才，孫榮喜，等基于 Excel VBA 實(shí)現(xiàn)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算J東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(6):1161188祝昕剛用Excel VBA編制變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理程序J地理空間信息，2011，9(3): 170172，1929魏鳳英現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)M北京:氣象出版社，1999(責(zé)任編輯:張江霄)(上接第184頁)便能適合多種植物生長(zhǎng)環(huán)境的檢測(cè)。本設(shè)計(jì)思想還可應(yīng)用于特殊環(huán)境指標(biāo)檢測(cè)、室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)等方面。參考文獻(xiàn):1韓力英，楊宜菩，王楊等基于單片機(jī)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37( 1):6568，722王冬梅，路敬祎基于單片機(jī)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J內(nèi)燃機(jī)與配件，2017(6):683楊祥基于MSP430的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D重慶三峽學(xué)院，20174李江全單片機(jī)串口通信及測(cè)控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)詳解M北京:人民郵電出版社，20145劉雅莉，張亞秋，王俊峰基于Matlab/GUI的溫度采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J玉溪師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，33( 8): 67706薛飛，楊友良，孟凡偉等基于Matlab GUI串口通信的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34( 1):292296(責(zé)任編輯:張若洵)