CN105700597A - 基于单片机的大棚智能调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的大棚智能调节系统，包括单片机控制装置、PC机、液晶显示器、GPRS定位装置、使用终端、多个传感器装置、ZigBee装置及继电器组；单片机控制装置分别与PC机及液晶显示器连接，单片机控制装置与GPRS定位装置及ZigBee装置双向连接，GPRS定位装置与使用终端连接，ZigBee装置与继电器组连接；多个传感器装置分别与单片机控制装置连接。本发明通过对大棚内各项指标的综合评价与分析，提升大棚种植的效率与安全性，把所有监控节点加入网络中，以实现对设备的调控，用户可通过手机、平板等联网设备查看大棚内的环境参数，并可对大棚内的设备进行控制。

Description

基于单片机的大棚智能调节系统

技术领域

本发明涉及农业领域，尤其涉及一种基于单片机的大棚智能调节系统。

背景技术

我国的温室控制技术起步较晚，60年代仅利用简易式塑料大棚来种植蔬菜。20世纪70年代，我国从国外引进了设施环境控制设备与手段都很先进的温室设施。由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术、种植技术，以及地域、水土、气候乃至资源的差异，而且引进的温室能能源消耗太大，以至于这些巨资引进的设施基本上亏损经营。20世纪80年代，我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，但是该技术仅限于温度、湿度和二氧化碳浓度等单项环境因子的控制。90年代初，我国大型温室跌入了发展低谷。“九五”初期，以以色列温室为代表的“北京中以示范农场”建立，这拉开了我国第二次学习和引进国外先进温室技术的序幕。到90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。1995年，北京农业大学研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统。1996年，江苏理工大学研制成功了基于工控机进行管理的植物工厂系统。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。该系统由大棚本体、通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。

近年来，我国的温室控制虽然取得了长足的进步，但仍存在一些问题。主要表现在：(1)在分布上，我国温室大部分集中在东北，华北，谣北等地区的大中城市周围；(2)在结构上国产温室分为塑料温室和塑料大棚温室两种。国产温室大部分是因地制宜的选择设施结构及覆盖材料，结构简单，日光温室占很大比重。(3)在控制和管理上，国产温室自动化程度低。近年来国内也进行了一些温室的自动控制的研究，但这些研究基本上是单因素的检测和控制，没有进行全面系统的研究。

目前，相关行业己经有网络化测量和控制方面的研究，实现网络化、分布式数据采集系统取代传统孤立的、信息闭塞的系统，甚至跨越以太网或Internet进行数据采集，实施远程控制。虽然国内温室规模有限，还没有形成规模经济，另外构建的费用也较高，但从长远来看，温室监控系统分布式和网络化将是一种必然的趋势。

西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室环境要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美和日本得到了长足的发展，并迈入了网络化、智能化阶段。

温室产业及相关技术在国外的发展速度很快。如以色列的温室从80年代到90年代更新了三代，科学家成功开发了一系列计算机软件，硬件，实现了温室供水，施肥和环境自动化控制。英国农业部对温室发展也很重视，科学家们先后进行了温室环境与作物生理，温室环境因子的计算机优化，温室节能，温室自动控制，温室作物栽培与产后处理的研究。在荷兰的阿姆斯特丹RAI展览馆每年11月举办一次国际花卉展览会，2003年就有来自世界各国的477个厂商展示了各自的产品和实力。另外，国外温室正致力于高科技发展。遥测技术，网络技术，控制局域网已逐渐应用予温室的控制与管理中。

近年来，我国的设施农业得到了较大的发展，温室大棚作为新的农作物种植技术，已突破了传统农作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。

发明内容

本发明的目的：提供一种基于单片机的大棚智能调节系统，系统采用单片机以及传感器构成下位机单元，在对温度、湿度等数据实时采集和显示的同时，将数据传输至PC机的人机交互系统界而进行监控。系统用户界而采用C语言编写，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。可以实现对多个温室大棚的实时监控、调节，可满足农业上对大棚监控系统的要求，并具有性价比高，方便扩展和集中式监控的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于单片机的大棚智能调节系统，包括单片机控制装置、PC机、液晶显示器、GPRS定位装置、使用终端、多个传感器装置、ZigBee装置及继电器组；所述的单片机控制装置的输出端分别与所述的PC机及液晶显示器的输入端连接，所述的单片机控制装置与所述的GPRS定位装置及ZigBee装置双向连接，所述的GPRS定位装置的输出端与所述的使用终端的输入端连接，所述的ZigBee装置的输出端与所述的继电器组的输入端连接；所述的多个传感器装置的输出端分别与所述的单片机控制装置的输入端连接，所述的多个传感器装置包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器及二氧化碳传感器，所述的温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器及二氧化碳浓度传感器分别安装在大棚内。

上述的基于单片机的大棚智能调节系统，其中，还包括大棚环境调节设备，所述的大棚环境调节设备设置在大棚内并分别与多个传感器装置连接。

上述的基于单片机的大棚智能调节系统，其中，所述的大棚环境调节设备包括温度控制器、湿度控制器、补光装置及二氧化碳控制器，所述的温度控制器与所述的温度传感器连接，所述的湿度控制器与所述的湿度传感器连接，所述的补光灯与所述的光照强度传感器连接，所述的二氧化碳控制器与所述的二氧化碳浓度传感器连接。

上述的基于单片机的大棚智能调节系统，其中，所述的PC机与所述的单片机控制装置之间通过串行总线连接。

上述的基于单片机的大棚智能调节系统，其中，在大棚的顶部安装有太阳能电池板，所述的太阳能电池板与所述的单片机控制装置电连接。

本发明综合利用多传感器数据融合、远程无线数据传输、ZigBee组网、移动终端控制等关键技术，允许授权用户通过多种移动终端(如手机、平板电脑等)随时掌握实时数据，实现远程控制目的；采用多传感器融合技术，对大棚内的二氧化碳浓度、温度、湿度、光强值数据多角度全方位进行搜集，可通过LCD液晶显示，使用户获得直观的数据资料。通过对多项参数的调控，增强农作物进行光合作用的能力；采用远程无线通信方式，保障了数据传输的稳定性以及高效性。

附图说明

图1是本发明基于单片机的大棚智能调节系统的连接框图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

请参见附图1所示，一种基于单片机的大棚智能调节系统，包括单片机控制装置1、PC机2、液晶显示器3、GPRS定位装置4、使用终端5、多个传感器装置、ZigBee装置7及继电器组8；所述的单片机控制装置1的输出端分别与所述的PC机2及液晶显示器3的输入端连接，所述的单片机控制装置1与所述的GPRS定位装置4及ZigBee装置7双向连接，所述的GPRS定位装置4的输出端与所述的使用终端5的输入端连接，所述的ZigBee装置7的输出端与所述的继电器组8的输入端连接；所述的多个传感器装置的输出端分别与所述的单片机控制装置1的输入端连接，所述的多个传感器装置包括温度传感器61、湿度传感器62、光照强度传感器63及二氧化碳传感器64，所述的温度传感器61、湿度传感器62、光照强度传感器63及二氧化碳浓度传感器64分别安装在大棚内。

还包括大棚环境调节设备，所述的大棚环境调节设备设置在大棚内并分别与多个传感器装置连接。

所述的大棚环境调节设备包括温度控制器81、湿度控制器82、补光装置83及二氧化碳控制器84，所述的温度控制器81与所述的温度传感器61连接，所述的湿度控制器82与所述的湿度传感器62连接，所述的补光灯83与所述的光照强度传感器63连接，所述的二氧化碳控制器84与所述的二氧化碳浓度传感器64连接。温度控制器81、湿度控制器82、补光装置83及二氧化碳控制器84可以采用现有技术的控制设备，对于补光装置83，可以在大棚顶上安装卷帘机、遮阳网以及在大棚内安装补光设备(如：日光灯)。当光照强度高于预设值时，启动卷帘机打开遮阳网，来降低光强；当光照强度低于预设值时，打开补光设备，增强大棚内的光强。

所述的PC机2与所述的单片机控制装置1之间通过串行总线连接，PC机2的串行口采用的是标准的RS-232接口，单片机控制装置1的串行口电平是TTL电平，需要将TTL电平转换为RS232电平才能实现与PC机2的串行通信。因此，采用了MAX232芯片来实现电平转换。转换之后，将单片机控制装置1中的数据上传给PC机2进行储存，从而建立了PC机2和单片机控制装置1的有效连接。

在大棚的顶部安装有太阳能电池板9，所述的太阳能电池板9与所述的单片机控制装置1电连接，由于大棚一般位于光照充足的地域，所以可以充分利用当地的太阳能资源。可以将太阳能电池板9固定在大棚顶上，这样在阳光充足的情况下，可以充分搜集太阳能资源，节约了电能。当遭遇连续阴雨天气时，可以使用蓄电池或锂电池来供电。其中，ZigBee系统可以在低功耗模式下运行，所以可以用碱性电池进行供电。通过合理的设计，可以保障系统的可靠运行，从而提高了数据监测的准确性。

单片机控制装置1采用型号为AT89C52，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

使用DS18B20温度传感器61采集大棚内温度。DS18B20是一种支持单总线接口的温度传感器，可对大棚内温度的细微变化做出精准的数据采集。DS18B20的测温范围为-55～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃，并且它具有微型化低功耗高性能抗干扰能力强等优点。

DS18B20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中的用户自定义的报警预设值进行比较。用户可以在上位机界而设置温度上下限，系统自动将预设值写入DS18B20传感器中。

湿度传感器62采用SHT11贴片型温湿度传感器模块。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。

光照强度传感器63采用了BH1750FVI传感器。这是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路；它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化，量程达到1～655351x，能够对广泛的亮度进行11x的高精度测定；可以直接数字输出，省略复杂的计算，省略标定，还具有输入范围广和光源依赖性弱等特点。

二氧化碳浓度传感器64采用MG-811，MG-811对二氧化碳有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响较小，有着良好的稳定性、再现性。其湿度测量范围为20％～70％，温度测量范围为0～50℃，测量精度为8％，完全符合本系统的需求。

综上所述，本发明综合利用多传感器数据融合、远程无线数据传输、ZigBee组网、移动终端控制等关键技术，允许授权用户通过多种移动终端(如手机、平板电脑等)随时掌握实时数据，实现远程控制目的；采用多传感器融合技术，对大棚内的二氧化碳浓度、温度、湿度、光强值数据多角度全方位进行搜集，可通过LCD液晶显示，使用户获得直观的数据资料。通过对多项参数的调控，增强农作物进行光合作用的能力；采用远程无线通信方式，保障了数据传输的稳定性以及高效性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于单片机的大棚智能调节系统，其特征在于：包括单片机控制装置、PC机、液晶显示器、GPRS定位装置、使用终端、多个传感器装置、ZigBee装置及继电器组；所述的单片机控制装置的输出端分别与所述的PC机及液晶显示器的输入端连接，所述的单片机控制装置与所述的GPRS定位装置及ZigBee装置双向连接，所述的GPRS定位装置的输出端与所述的使用终端的输入端连接，所述的ZigBee装置的输出端与所述的继电器组的输入端连接；所述的多个传感器装置的输出端分别与所述的单片机控制装置的输入端连接，所述的多个传感器装置包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器及二氧化碳传感器，所述的温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器及二氧化碳浓度传感器分别安装在大棚内。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的大棚智能调节系统，其特征在于：还包括大棚环境调节设备，所述的大棚环境调节设备设置在大棚内并分别与多个传感器装置连接。

3.根据权利要求3所述的基于单片机的大棚智能调节系统，其特征在于：所述的大棚环境调节设备包括温度控制器、湿度控制器、补光装置及二氧化碳控制器，所述的温度控制器与所述的温度传感器连接，所述的湿度控制器与所述的湿度传感器连接，所述的补光灯与所述的光照强度传感器连接，所述的二氧化碳控制器与所述的二氧化碳浓度传感器连接。

4.根据权利要求1所述的基于单片机的大棚智能调节系统，其特征在于：所述的PC机与所述的单片机控制装置之间通过串行总线连接。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的大棚智能调节系统，其特征在于：在大棚的顶部安装有太阳能电池板，所述的太阳能电池板与所述的单片机控制装置电连接。