温室环境控制系统

【摘要】针对传统温室有线数据采集系统存在着成本较高、可靠性和移动性较差等问题，提出了一种应用无线技术组建温室数据采集系统的设计和应用方案。通过无线收发模块实现温室内各种生长环境检测传感器无线化，从而实现温室内作物生长环境的无线智能调控，为解决传统温室有线系统的局限性提供了技术措施；该系统操作简单，具有人性化。为提高温室环境信息管理自动化程度和设施农业种植决策提供依据，从而提高了温室生产的技术水平，减轻了劳动强度，提高了劳动效率。众所周知，光、温度、湿度是农业生产不可缺少的因素，所以本设计将其作为重点数据来处理。首先，对温度、湿度、二氧化碳浓度传感器的发展现状、发展趋势做了简单综述；然后，介绍了系统的工作原理和设计方法，对在控制过程中主要应用的DS18B20、TGS4160、SHT11、LCD显示器及C8051F020、PTR2000、MAX232、MAX692等的结构特点进行了简单的介绍；最后，从硬件和软件两方面详细讲述了对温室各项指标控制的过程。

【关键词】温室；数据采集系统；无线收发模块

1.绪论

1.1 引言

随着社会的进步和工农业生产技术的发展，许多产品对生产和使用环境的要求越来越严，人们对温度、湿度、光强、二氧化碳浓度等环境因素的影响越来越重视了。为此，本文以农业技术发展为目的开发了一种智能控制系统。

众所周知温度、湿度、二氧化碳浓度是农业生产不可缺少的因素，所以本设计将其作为重点数据来处理。在现代检测技术中，传感器技术和计算机技术是必不可少的两个方面。计算机对数据有很强的处理能力，但对非电量和模拟信号是无能为力的。如果没有各种精确可靠的传感器去检测非电量和模拟信号并提供真实的信息，那么微型计算机就无法发挥其应有的作用。传感器把非电量转换为电量，经过放大处理后，转换为数字量输入微型计算机，由微型计算机对信号进行分析处理。从而传感器处理技术与微型计算机技术结合起来，对自动化、信息化和智能化起到重要作用。

本设计以C8051F020单片机为核心来对多点温度、湿度、二氧化碳浓度进行实时检测。各检测单元能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温度、湿度、二氧化碳浓度进行采集。测量结果不仅能在本地显示，而且可以由C8051F020单片机将采集的数据传送到主控机，以进行进一步的处理。主控机负责控制指令的发送，以控制各个从机的温度、湿度、二氧化碳浓度采集，收集测量数据。主控机与各从机之间也能够通过无线收发模块进行相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、和谐的效果。

1.2 课题研究背景

近20年来，农业设施在我国得到了突飞猛进的发展，设施类型也由季节性的简易拱棚逐步在向常年性的温室方向发展。但是与欧洲发达国家相比，我国温室的智能化水平还比较低，现有温室大都以有线接入为主。现代温室的数据采集系统是实现其生产自动化、高效化的最关键、最为重要的环节，传统的传感器数据采集系统采用导线连接，在传感器至信号处理器之间需要大量电缆。温室环境不同于其他环境，在温室中大量布线是十分困难的。为此，在温室中应用基于无线技术的传感器，将有助于解决原有有线系统的局限性。

1.3 设计主要内容

本设计针对温室无线监控系统若干关键技术展开研究工作，主要集中在以下几个方面：

（1）分析题目要求。介绍温室无线控制系统的总体方案设计，系统的组成和工作原理。

（2）系统的硬件设计。介绍主要硬件的型号及其主要特点，模块功能和硬件电路设计。详细介绍在温度监控系统中应用到的各个硬件连接电路。硬件电路的设计主要包括：C8051F020通信接口电路的设计、无线收发模块电路的设计、温度采集电路的设计、湿度采集电路的设计、二氧化碳浓度采集电路的设计、控制电路的设计、显示电路的设计、键盘扫描电路的设计、报警电路的设计以及掉电保护电路的设计。

（3）系统的软件设计。主要介绍程序的主循环框架及主要程序模块，程序设计采用汇编语言模式。介绍的程序模块主要包括：主机C8051F020主程序、主机C8051F020中断服务子程序。其中主机C8051F020主程序包括初始化子程序、键盘扫描子程序、主机通信子程序、温度控制子程序、湿度控制子程序、二氧化碳浓度控制子程序以及温度报警子程序、湿度报警子程序、二氧化碳浓度报警子程序。主机中断服务子程序主要由温度采集子程序、湿度采集子程序、二氧化碳浓度采集子程序、通信子程序、显示子程序、数据打印子程序组成。

1.4 温室的概述

温室（greenhouse）又称暖房。能透光、保温（或加温），用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的季节，能提供生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。温室的种类多，依不同的屋架材料、采光材料、外形及加温条件等又可分为很多种类，如玻璃温室、塑料温室；单栋温室、连栋温室；单屋面温室、双屋面温室；加温温室、不加温温室等。温室结构应密封保温，但又应便于通风降温。现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备，用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件。

温室是以采光覆盖材料作为全部或部分围护结构材料，可在冬季或其它不适宜陆地植物生长的季节供栽培植物的建筑。

温室功能分类根据温室的最终使用功能，可分为生产性温室、试验（教育）性温室和允许公众进入的商业性温室。蔬菜栽培温室、花卉栽培温室、养殖温室等均属于生产性温室；人工气候室、温室实验室等属于试验（教育）性温室；各种观赏温室、零售温室、商品批发温室等则属于商业性温室。

2.温室环境控制系统的总体设计

2.1 系统的总体设计

此温室控制系统的总体设计是通过数字温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器对温室大棚内的温度、温度和二氧化碳浓度进行实时检测，由于应用的都是数字传感器，直接把检测到的数字信号送入单片机，单片机在通过无线收发模块送入PC机并发出控制信号，分别控制排风机、电热丝、空气加湿器、二氧化碳生成器，从而控制温室内的温度、湿度、二氧化碳浓度。同时发出报警信号示警，并且有显示器件对温室内的温度、湿度和二氧化碳浓度进行实时显示。

2.2 元器件的选择

元器件的选择见表1。

3.温室环境控制系统设计的硬件、软件设计

3.1 硬件电路总框图的设计

一般一个单片机应用系统的硬件电路设计应包括两部分内容：一是系统扩展，即扩展单片机内部的功能单元。如：ROM、RAM、I/O口、定时/计数器、中断系统等。当单片机容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路；二是系统配置，即按照系统的功能要求配置设备，如键盘、显示器、打印机等。

根据以上的硬件设计原则，本系统的硬件电路主要由一片C8051F020单片机构成的通信电路、温度采集电路、湿度采集电路、二氧化碳浓度采集电路、无线传输电路、与PC机连接电路、控制电路、温度、湿度、二氧化碳浓度显示电路、越限报警电路、键盘输入电路、掉电保护电路及打印机接口电路组成。本系统的硬件连接框图如图3-1所示。

3.2 系统软件总体设计

本控制系统软件设计采用模块化结构。由于系统采用一片C8051F020单片机与各个传感器、无线收发模块等进行通信的方式，对单片机C8051F020进行编程。

主机C8051F020的主程序主要由初始化子程序、温度判断子程序、温度控制子程序、湿度判断子程序、湿度控制子程序、二氧化碳浓度判断子程序、二氧化碳浓度控制子程序、无线收发子程序、超限报警子程序、温度、湿度、二氧化碳浓度显示子程序、数据打印子程序、键盘扫描子程序等模块组成，主机C8051F020的中断服务程序主要包含温度采集子程序、湿度采集子程序和二氧化碳浓度采集子程序。主机C8051F020主程序的流程图如图3-2所示。

4.社会经济效益分析

国家为促进农业的快速发展，对温室大棚的各项指标更准确的检测与控制，所以对农业温室大棚的检测与控制更是重中之重。针对传统温室有线数据采集系统存在着成本较高、可靠性和可移动性较差等问题，现代温室无线数据采集系统与传统的温室数据采集系统相比较更具有灵活性。还可以减少成本、提高系统工作可靠性、增强系统移动作业的能力、减少了劳动者的劳动强度。

因此，从社会经济效益的角度来看，设计温室无线数据采集系统已是现代农业发展必然的趋势。

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