農業(yè)溫室環(huán)境檢測系統設計.pdf

第34卷 第4期2019年12月邢臺學院學報JOUNAL OF XINGTAI UNIVESITYVol 34，No4Dec 2019收稿日期20190812基金項目2018年邢臺市科技局課題:基于物聯網技術的精準農業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統設計研究項目編號:2018ZC055;2018 年邢臺學院教改課題:基于創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)的自動化專業(yè)實驗課教學模式改革研究項目編號:JGZ18002;2018年邢臺學院科研課題:地方高校新工科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐體系的構建研究，課題編號: XTXYYB003; 高校實驗室火災探測系統的研究與設計，課題編號:XTXYYB005作者簡介王曉旭( 1984)，女，河北省河間人，講師，碩士研究生，主要從事自動化專業(yè)教學與研究農業(yè)溫室環(huán)境檢測系統設計王曉旭，王承林，成燕平(邢臺學院物理與電子工程學院，河北邢臺 054001)摘 要: 為便于對溫室農作物生長環(huán)境的實時監(jiān)測和數據管理，設計一種農業(yè)溫室環(huán)境檢測系統。系統設計基于STC15F2K60S2單片機的下位機檢測系統，包括DHT11溫濕度、MG811二氧化碳、BH1750光照強度、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，單片機進行數據轉換、傳輸和報警，同時控制LCD12864液晶屏顯示。上位機監(jiān)測軟件制作基于MATLAB GUI (圖形用戶界面)，與單片機進行串口通信實現實時數據顯示和曲線繪制，并且該軟件還具有保存數據，查詢歷史數據等功能，系統操作簡單、穩(wěn)定性好，有很好的應用前景。關鍵詞: MATLAB GUI; STC15F2K60S2單片機; 傳感器; 串口通信中圖分類號: S12 文獻標志碼: A 文章編號: 16724658(2019)04018006二氧化碳濃度、光照強度、紫外線強度、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、有機物產量、營養(yǎng)物質吸收等生長因素，利用溫室技術的研究來提升農業(yè)生產效率，為作物提供適宜的生長環(huán)境意義重大。傳統農業(yè)往往根據感知和經驗對環(huán)境參數進行干預控制，數據掌握不準確、不科學，并且會造成人力和物質資源的浪費。通過在農業(yè)溫室內靈活部署多種傳感器設備，基于單片機對溫室內與農作物生長密切相關的環(huán)境參數進行現場實時采集和顯示，上位機采用Matlab開發(fā)環(huán)境設計PC機監(jiān)控界面，實現對參數的集中監(jiān)測1。系統操作簡單、穩(wěn)定性好，并且檢測精度較高，節(jié)省勞動時間，成本低，效率高，同時更有利于精準農業(yè)種植。一、系統設計方案本設計主要分為兩部分: (1) 下位機傳感檢測設備的設計及制作; (2) 上位機監(jiān)測軟件編寫。系統總體方案如圖 1 所示。五種傳感器實時檢測溫室內六種環(huán)境參數的變化，經過單片機進行數據轉換和處理后，一方面送液晶屏幕顯示，另一方面經串口通信傳輸到PC端上位機軟件進行遠程數據監(jiān)測。按鍵可進行單個參數的切換檢測和顯示控制，并且任一參數超過限定值時系統會蜂鳴器報警2。二、檢測電路設計系統電路原理圖如圖 2 所示。硬件電路由 8部分組成，分別是單片機、按鍵、數據口、傳感圖1 總體設計方案框圖器、顯示器、蜂鳴器、3. 3 V和6 V電源電路3。(一) 單片機最小系統本設計選用 STC15 系列的 STC15F2K60S2 型號單片機，具有 864KB的 Flash 程序存儲器，8通道高速 10 位 ADC，速度可達到 30 萬次每秒，是傳統的51單片機的812倍。其內部具有專用復位電路、C振蕩器等模塊，VCC 接5 V，GND端接地，即組成單片機最小系統，不需要附加晶振和復位電路。該單片機共有40個引腳，38個I/O，兩個完全獨立的串口/雙串口，分時切換可當4個串口使用。(二) 傳感器電路本設計共選用五個傳感器，用于檢測六種環(huán)境因子。1 DHT11數字溫濕度傳感器DHT11包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC第4期 王曉旭，等:農業(yè)溫室環(huán)境檢測系統設計 181圖2 系統原理圖測溫元件，其DATA數據輸出引腳接單片機P4.5口。2 MG811二氧化碳傳感器本設計選用圖 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 CO2靈敏度高，當外界溫度或濕度變化時仍能具有良好的穩(wěn)定性，可以應用到多種環(huán)境 CO2濃度的檢測。MG811為固體電解質傳感器，探頭輸出的電壓為3050 mV，為方便檢測須外加電路進行放大，信號經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，測量濃度范圍是010000 ppm。給二氧化碳傳感器模塊供電，充分預熱后，輸出開始穩(wěn)定，將 CO2濃度轉換為模擬電壓，經AOUT端口傳送至單片機P1. 1口進行AD轉換，根據圖4所示二氧化碳濃度與輸出電壓之間的關系，進行數字量的轉換，從而實現CO2濃度的檢測。圖3 二氧化碳傳感器模塊實物圖3 GY-ML8511紫外線傳感器ML8511將光電流轉化成與之成正比的模擬量電壓值來檢測 UV (紫外線) 強度，其 VIN 端口和EN端口同時接5 V電源，模擬量輸出端口OUT182 邢臺學院學報 第34卷圖4 二氧化碳濃度與輸出電壓關系圖和單片機P1. 2 口連接，用以 AD 轉換，根據圖 5所示特性將模擬電壓量轉換為對應的UV強度。圖5 紫外線強度輸出電壓特性4 BH1750光照強度傳感器BH1750是一款 IIC 接口的數字型光強度傳感器集成電路，該傳感器的分辨率高，測量光照強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。本設計使用的是 GY30光照度檢測模塊，采用5 V 電源供電，其 SCL 引腳接單片機P2. 6 口，用來定義 IIC 時鐘引腳，SDA 引腳接單片機 P2. 7 口，用來定義 IIC 數據引腳，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，使用時間長，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P1. 3 口連接，經過 AD 轉換，將電壓值轉換為土壤濕度值，DOUT數字量輸出端口本次設計未接線，留作備用。(三) 電源電路本系統單片機、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、移動電源等) 提供。此外，CO2檢測模塊MG811需要6 V電壓，5 V轉6 V電路設計圖中選用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，本設計采用穩(wěn)壓芯片 ASM1117 實現5 V 轉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 電壓時要求最低輸入電壓為5. 36. 3 V。(四) 按鍵電路本系統共設計了K1K6功能按鍵，分別連接單片機 P3. 2 P3. 7 引腳，對應功能為 CO2濃度、空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、紫外線檢測模式及由單項檢測模式返回主界面。(五) 超限報警電路環(huán)境參數過高、過低都會影響植物的生長，為使本系統有更好交互性，設計加入了超限電路，由5 V電源供電，輸入與單片機 P2. 5 口相連，檢測到任一參數超過了預定范圍，蜂鳴器會實時報警，提醒管理人員或控制設備進行干預控制。(六) 串口通信電路數據傳輸接口采用CH340 芯片的USB 轉串口TTL模塊，用作和上位機的串口通信和單片機程序下載器。下載器與單片機的 VCC 和 GND 對應連接，可為單片機提供5 V工作電源，TXD、XD分別接單片機的P3. 0、P3. 1口，實現數據的發(fā)送和接收。三、檢測軟件設計(一) 主程序設計首先進行頭文件的聲明，各變量、數組的定義，以及單片機引腳定義，進行各傳感器和液晶屏的初始化，控制各個傳感器檢測環(huán)境因子，同時串口通信進行數據發(fā)送，實時檢測參數是否超過預定范圍，如果超過則報警系統報警提醒。檢測K1-K5是否按下，若 K1-K5 按下則進入對應的第4期 王曉旭，等:農業(yè)溫室環(huán)境檢測系統設計 183環(huán)境因子檢測界面，進行單個參數處理顯示。如果K6按下，則返回主界面。系統程序流程圖如圖7所示。圖7 系統主程序流程圖(二) 單片機串口通信模塊程序設計串口通信部分硬件設備要求較簡單，軟件部分串口通信主要是對 STC15F2K60S2 單片機串口控制寄存器SCON和選擇寄存器 PCON 進行控制，進而對傳輸的數據位數、標志位、波特率、工作方式進行設置。通過發(fā)送緩沖器SBUF，進行數據的傳送，最后將數據發(fā)送至PC ( MATLAB 監(jiān)控軟件) 上，由 PC 上軟件進行數據的接收和進一步處理4。串口通信部分程序如下:void init_ uart () / /串口初始化SCON=0x50; / /8位數據，可變波特率AUX | =0x04; / /定時器2時鐘為Fosc，即1TT2L=0xE0; / /設置低八位初值T2H=0xFE; / /設置高八位初值AUX | =0x01; / /串口1選擇定時器2為波特率發(fā)生器AUX | =0x10; / /啟動定時器2EA=1;void SeriPushSend (uchar send_ data) / /串口發(fā)送函數SBUF=send_ data; / /發(fā)送數據while (! TI); / /等待發(fā)送結束TI=0; / /清零TI四、上位機監(jiān)測軟件設計基于 MATLAB GUI 軟件制作 PC 端上位機監(jiān)測軟件，由兩部分構成，其中 FIG 文件: 包含界面控件布局設計及其對象屬性設置; M 文件: 界面的主程序及回調函數子程序。根據本監(jiān)測軟件要實現的功能，設計其界面如圖8所示5。圖8 監(jiān)測軟件控件圖184 邢臺學院學報 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據，打開串口調用 EveBytesAv-ailableFcn ( ) 函數，等待讀取串口中的數據。Pop-up Menu下拉菜單控件，“串口號”用來選擇串口，“數據位”用來選擇數據位個數， “波特率”、“奇偶校驗位”和“停止位”用來配置串口通信參數。 “接收區(qū)”Listbox 控件用于實時顯示串口接收的環(huán)境參數，每接收一次數據換一行?！扒蹇战邮諈^(qū)”可清除文本框中的數據。 “坐標軸”axes1axes6 分別用來繪制溫度、土壤濕度、CO2濃度、空氣濕度、光照強度、紫外線強度的數值實時走勢圖像。“清除圖像”可清除6個坐標軸上已經繪制的圖像。“保存數據”用來將文本框中已經接收的數據存儲到本地硬盤文件夾中，并按照保存時間命名，方便查詢和調取。 “調取數據”則是將已經保存的歷史數據調取出來重新顯示到文本框中，并重新畫圖?！瓣P閉串口”控件是將配置關閉，進而關閉串口?！巴顺觥笨丶峭顺鯣UI界面。界面功能實現中一個主要的函數是“打開串口”pbOpenSerial_ Callback ()，該函數可實現打開串口，串口通信參數配置，讀串口數據回調函數 EveBytesAvailableFcn () 調用，部分內容如下6:function EveBytesAvailableFcn (t，event，handles)if s BytesAvailable0a=fscanf (s);%取出串口中數據d=strvcat ( get ( handles edit，string)，num2str (a) )set (handles edit，string，d); 接收區(qū)數據顯示f=textscan (a，%d%d%d%d%d%d r n);x，y，z，x1，x2，x3 = deal ( f : ) %數據分配到六個變量: x 溫度，y 濕度，z 土壤濕度，x1光照強度，x2 CO2，x3紫外線強度e (count，:) = cell2mat (f)count=count+1;axes (handles axes1);%坐標軸1hold on;plot (handles axes1，e (:，1)，b);% x變量溫度曲線繪制grid on;%其余五個變量曲線繪制與下位機檢測裝置通信，監(jiān)測軟件運行測試結果如圖9 所示。圖9 上位機監(jiān)測軟件運行結果五、結語本設計通過單片機和 MATLAB 軟件設計并制作了農業(yè)溫室環(huán)境參數的實時檢測和遠程監(jiān)測系統，能實現數據檢測、傳輸、顯示、保存及調取等功能。本系統耗電量小，可長期不斷電工作，基本滿足農業(yè)溫室對環(huán)境指標的檢測需求，便于實施科學種植。且該系統擴展性好，如需擴展檢測參量只需增設對應傳感模塊，并進行軟件修改即可實現。同時，改變環(huán)境因子對應的變量閾值(下轉第188頁)188 邢臺學院學報 第34卷的標準化顯示等。參考文獻: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 實現林分空間結構參數的自動計算J東北林業(yè)大學學報，2011，39(6):1161188祝昕剛用Excel VBA編制變形監(jiān)測數據處理程序J地理空間信息，2011，9(3): 170172，1929魏鳳英現代氣候統計診斷與預測技術M北京:氣象出版社，1999(責任編輯:張江霄)(上接第184頁)便能適合多種植物生長環(huán)境的檢測。本設計思想還可應用于特殊環(huán)境指標檢測、室內空氣質量檢測等方面。參考文獻:1韓力英，楊宜菩，王楊等基于單片機的溫室大棚智能監(jiān)控系統設計J中國農機化學報，2016，37( 1):6568，722王冬梅，路敬祎基于單片機的溫室大棚智能監(jiān)控系統設計J內燃機與配件，2017(6):683楊祥基于MSP430的農業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀設計與實現D重慶三峽學院，20174李江全單片機串口通信及測控應用實戰(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)測系統設計J玉溪師范學院學報，2017，33( 8): 67706薛飛，楊友良，孟凡偉等基于Matlab GUI串口通信的實時溫度監(jiān)控系統設計J計算機應用，2014，34( 1):292296(責任編輯:張若洵)