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单片机下的大棚温湿度控制系统设计

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摘要:随着科学技术学的不断进步,农业现代化与智能化水平不断提高,智能生态农业将会获得更大的发展空间。利用ArduinoMega2560单片机设计了一个智能生态系统的温湿度检测及控制系统。该系统对温度、土壤湿度进行数据采集,使用单片机进行控制,利用继电器自动控制加热带、排风扇、水泵,以完成对系统环境的自动控制,同时加入wifi模块,可利用手机App进行实时控制,在温室大棚智能控制方面较大的推广价值。

关键词:ArduinoMega2560;传感器;智能生态农业;温室大棚控制

传统农业往往受到地理环境、自然环境等诸多因素影响,农产品产量和品质控制难度较大,这使得以温室大棚为主的设施农业对保障农业安全、促进农业发展具有重要意义。科学控制温室内温度、土壤湿度、光照强度是温室大棚的关键技术,为进一步实现智能、科学、合理地调节温室温湿度、光照度,形成有利于作物生长的理想环境,确保温室内农产品品质和效益,本文参考有关文献[1-6],设计了一种大棚温湿度控制系统。

1设计思路

该系统采用单片机技术、传感器技术与网络技术相结合的技术路线,根据传感器检测到的数据,ArduinoMega2560单片机通过控制继电器,驱动排风扇、加热带、水泵、生长灯等执行装置,根据植物的生长特性进行远程自动控制,使系统各项参数达到设定目标。系统结构框图如图1所示。系统选择ArduinoMega2560单片机作为核心,分别由以下几个部分组成:ArduinoMega2560单片机、LCD显示部分、按键部分、继电器部分以及外设部分等。系统通过温湿度模块检测环境温湿度,将检测到的信号发给单片机,单片机将接收到的信号与系统参数值互相对比,再发出相应的控制指令。液晶显示模块可以显示当前环境的温湿度,再通过外设对温湿度进行控制,使其符合作物生长要求。

2系统软件设计

2.1主程序

系统读取温湿度数值,通过对应控制继电器驱动执行装置,按照设定要求调节大棚温湿度,主程序流程图如图2所示。

2.2检测子程序和控制子程序

检测子模块包括传感器和显示屏控制。在检测子程序中,系统利用传感器采集环境中的数据,经单片机处理之后,通过显示屏显示实时数据。在控制子程序中,通过传感器检测到的数值和设定目标参数,利用单片机控制继电器的常开常闭触点,用以控制外部设备,通过这些外部设备对系统中的环境参数进行调节,也可选择手动模式进行控制。

2.3WiFi模块及云平台

WiFi模块的主要功能是连接中继路由器,WiFi模块和贝壳物联之间的通信是基于TCP的网络协议,通过连接云端系统稳定运行。由于每条成功发送的指令都会有信息反馈,处理器会根据收到的数据结果分析是否进行下一步动作。云平台作为云端服务器可以储存和处理数据。云平台最主要的功能是提供人机交互界面,提供实时数据显示。本设计采用C语言编程设计界面,可以使实时数据变为动态曲线,让用户更便捷发现环境数据变化,从而创造满足农作物生长所需的适宜环境。

3系统硬件设计

硬件电路包括数据采集模块、显示模块、控制模块、复位模块。单片机使用外部电源+9V电源进行供电。

3.1总体电路图

总体电路如图3所示。

3.2数据采集模块电路

数据采集部分的电路由两个传感器组成,一个是DS18B20温度传感器,另一个是YL-69湿度传感器。温度传感器需要一个上拉电阻来稳定信号,使总线持续高电平,准确读取当前的温度值。湿度传感器是一个集成模块,把它的各个引脚连接到Ardu⁃inoMega2560单片机上即可。

3.3显示模块电路

本设计使用LCD12864显示屏,电路如图4所示。

3.4控制模块电路

控制部分包括单片机、继电器、单刀双掷开关、加热带、水泵、排风扇。水泵和加热带采用220V的交流电源供电,排风扇使用12V的直流电源供电。控制系统有自动手动两种模式。

3.5复位模块电路

ArduinoMega2560单片机的复位引脚是低电平复位,所以用按键按的时候给RESET引脚一个有效的低电平即可。

4测试

4.1控制系统基本功能测试

本文设计一个模拟大棚封闭环境对系统进行基本功能测试,目标参数设置为温度23℃,湿度95%,光照85lux。

4.2WiFi及云平台数据测试

现场节点设置好以后上电启动WiFi模块,WiFi模块接收处理器发送的AT+i指令,监测中心联网,上位机和下位机一起组成监控系统。WiFi模块作为上位机与下位机的桥梁首先得连接中继路由器,设置工作模式,对无线模块进行透传设置,这样WiFi模块就会在联网的情况下自动登录贝壳物联网站。贝壳物联开源提供设备和传感器ID,用户可以通过域名和端口接入贝壳物联平台。在贝壳物联上,经过处理的数据以波动的曲线形式跳动,这样最大的优点就是当环境发生突然变化时,很容易被监测者发现。还可以查询历史数据,与即时数据进行对比分析。

4.2.1光照传感器数据的测试本次测试是在实验室测得的光照数据,遮挡光照传感器会发生数据变化,传感器的精度为±1lux。光照数据图如图5所示。

4.2.2温度传感器数据测试测量0~50℃温度传感器,供电电压为DC3.3~5.5V,误差温度为±2℃。为确保实验的准确性,反复测量5次同一环境温度,与标准的温度计进行对比分析,虽然有一些误差,但是统计误差不超过1℃。本次测试充分证明了此次温度测试的数据有效,可以帮助监测者实时监测环境温度,所采取的数据达到实验要求。

4.2.3湿度传感器数据测试为了确保测试的精确性,本设计在相同环境下取样5次,通过与标准的湿度计进行对比,可以清晰地观察到误差。通过改变环境参数,数据也会随之不断变化,测量数据见图6所示。通过与标准的湿度计对比测得数据,见表1所示。

4.2.4手机控制测试通过手机端可以远程控制系统的开关,经过测试系统手机可以远程控制。在手机APP上添加开关,通过设置指令控制系统开关,这样就可以达到分别控制的目的。5结论本文设计了基于单片机的大棚温湿度实时控制系统,实验测试结果显示,该系统具有制作成本低、系统功能稳定、便于远程实时控制等特点,有较好的应用前景和推广价值。

参考文献:

[1]徐晓冰,乐敛军.仓库温度湿度监测系统设计[J].科技与生活,2010(9):21-21.

[2]李慧,刘毅.温室控制技术的发展方向[J].林业机械与木工设备,2004,32(5):4-7.

[3]程力,郭晓金,谭洋.智能农业大棚环境远程监控系统的设计与实现[J].中国农机化学报,2019,40(06):173-178.

[4]王志刚.一种智能农业物联网低功耗监控系统[J].黄河科技学院学报,2019,21(02):106-109.

[5]陆珂琳.基于物联网的智能环境监控系统的设计与实现[D].南宁:广西大学,2018.

[6]孙忠祥.基于设备云平台的智能农业温室大棚远程监控

作者:张玮玮 董昭 单位:安阳工学院

单片机下的大棚温湿度控制系统设计责任编辑:张雨    阅读:人次