寒地水稻育秧大棚智能控制系统设计——基于单片机

0 引言

为了帮助农户更好地监测、控制水稻生长环境，笔者开发了基于单片机的寒地水稻育秧大棚智能控制系统。该系统可以实时监控育秧棚内的空气温湿度、土壤温度、土壤水分、CO2浓度及光照强度等的变化情况，科学指导农户按照水稻育秧期对温室大棚内的环境需求进行调控，提高单位面积上水稻的产量和品质。

1 系统总体设计

本设计是以 AT89S52 单片机为核心，基于单片机对数字信号的高敏感性和可控性，以及数字式温湿度传感器的一套控制系统。系统的设计包括单片机、复位电路、空气温度检测、空气湿度检测、土壤温度检测、土壤水分检测、键盘及显示及控制电路等。其对空气中的温湿度、土壤温度及水分等的采集是通过数字式传感器实现的。数字传感器监测到的数值通过JM12864F 显示; 同时，设置了 4 个按键控制卷帘电机; 当监测到的数值超出了系统所设定数值的上下限范围时，单片机开始对电路进行控制，以方便用户进行控制。系统整体设计图如图 1 所示。

1． 1 温度传感器
温度传感器具有对大棚内的温度进行采集、判断和显示的作用。DSl8820 智能温度传感器除了能够对温度进行测量之外，还可对温度进行控制，以及把温度从二进制转换成十进制。基于以上优点，本系统选用 DSl8820 智能温度传感器。该传感器在出厂的时候有自己固定的序列号，序列号为 64 位，且具有唯一性。信息在通过单线接口进入进出 DSl882 传感器时，传感器和数字转换电路是集成在一起的。由于该传感器只有一个数据输入/输出口，而 DSl8820 可以通过并联的方式并联到3 或 2 根线上，且 CPU 只需 1根端口线就能与多个 DSl8820 进行通信。其识别方式简单，仅需要简单的通信协议就可识别，从而节省很多的材料及减少一些逻辑电路的发生。现场温度以“一线总线”的数字方式进行传输，不需要 A/D 转换器。这种传输方式不仅适合在恶劣环境下进行现场测量，同时也大大提高了系统的抗干扰性。用户还可以自行设定自动报警的温度上下限值，根据报警的命令来查找是那些 DSl8820 传感器的温度超限，然后对其进行修改。

1． 2 单片机控制系统
本系统之所以选用 AT89S52 传感器作为控制器，原因是该传感器的功能很多，实现起来很方便。该传感器具有的功能如下: ①具有采集数据的功能，并且可以把采集到的数据在本系统选用的 JM12864F 液晶显示器上进行实时显示; 同时还可以把采集到的数据和一些控制信息通过串口发送到上位机上，并接收上位机的命令来实现一些参数的设置。②可以通过键盘实现参数的设置和手动/自动控制方式的切换。③可以进行输出控制。

1． 3 上位机
系统采用的上位机是一台微型计算机，主要作用是通过 ＲS －485 进行串行通讯，同时对下位机进行一系列的控制: ①向下位机发送采集数据和输出控制的命令; ②接收上传的下位机采集到的数据。③对下位机进行编号、改变下位机的工作方式、设定下位机温度报警的上下限值，以及参数的控制; ④对采集到的数据进行显示、存储及查询历史数据。

2 系统的主要功能

系统的主要功能主要包括以下 3 个: 棚内环境参数的实时采集、棚内卷帘通风与微喷的控制及上位机的实时监控。
棚内环境参数的实时采集功能实现了对土壤和空气的温湿度、光照强度、CO2浓度及 pH 值等的采集;通过安装的一些传感器、数据采集模块和单片机实现实时检测功能，并将检测的结果数据显示在控制柜的LED 显示屏上; 最后，将这些数据一并通过无线传输模块发送到上位机，以便园区管理者实时地对棚内的情况进行了解。
棚内卷帘通风与微喷的控制功能主要是通过分析采集到的棚内的各种环境参数，结合棚内作物的自身特点要求进行智能决策，实现对卷帘通风和微喷的自动控制。
本系统使用的上位机语言开发平台采用的是 C#，该操作平台的特点是界面简单明了，可以直观地显示棚内的环境参数变化和作物的生长情况。采集到的数据存储使用的数据库是 SQL2000，对历史数据的显示和查阅比较简单，随时可以调出历史数据与当时的实时数据进行对比分析，并可以把数据库里的数据用Excel 表格文件导出，便于后期的数据处理。

3 系统硬件电路设计

水稻育秧大棚智能控制系统可以实现以下功能:①上位机可以对下位机传感器采集到的数据进行分析处理，然后下达指令控制育秧棚内的微喷、卷帘电机工作; ②下位机能通过手动控制来操作该系统，且能够提供良好的人机控制; ③采用模块化的设计思想来达到总体功能的要求。系统由时钟电路、复位电路、显示电路、动作执行电路及电机状态检测电路 5种电路模块构成。

3． 1 时钟电路
单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的 XTAL1 和 XYAL2 的两个管脚之间接一个晶振及两个电容就构成了单片机的时钟电路。电路中的电容和石英晶振对振荡频率有微调作用，通常取( 30 ± 10) pF 石英晶体，选择 6MHz 或 12MHz 都可以。时钟电路如图 2 所示。


3． 2 复位电路
单片机的 ＲST 管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口，复位信号是高电平有效，单片机的复位方式可由手动复位方式完成。复位电路如图3 所示。


3． 3 电路显示部分
系统采用的字符显示模块为 JM12864F，无论在硬件连接还是软件调试方面都比数码管有一定的优势。主要体现为: 显示快捷简单，只要把钥匙显示内容放入显示模块的存储器里，就可以直观地把要显示的内容显示出来。JM12864F 与单片机的连接电路如图4 所示。


3． 4 动作执行电路
本系统采用继电路进行控制，通过继电器开闭来控制卷帘电机进行开关棚。这一模块是在系统把实际环境温湿度值与给定界限值相比较后，在越限的情况下执行卷帘电机开/关棚操作。动作执行电路如图5 所示。

3． 5 电机状态检测电路
系统可以通过图中 ＲB、ＲM、ＲT、LB、LM、LT 检测电机执行状态。检测电路如图6 所示。

4 系统软件设计

系统以 C#作为开发语言，开发了水稻育秧棚智能化监控系统，能够直观地显示各个育秧棚内的环境因子变化。同时，采用 SQL2000 数据库对所采集的数据进行存储，通过运算处理显示各个棚的环境参数，显示形式以数字、图形、曲线为主。用户可以随时查阅历史数据、对比每天监测的数据并导出 Excel 表格文件，进行分析、报表、打印等操作; 另外，还能够根据水稻育秧期的不同时间段对棚内环境参数的不同要求，来设置棚内的参数限值。该系统将以一种统一的、直观的图形化界面将信息展现给使用者，做到可视化程度高、人机交互性好、简单易操作。具体的软件流程图如图7 所示。

5 ＲS485 串行通讯

ＲS － 485 串行通讯具有很多优点，其中比较突出的是它具有前瞻性，是多发送器的电路新标准，采用的电气接口方式是差分平衡方式，可以从根本上消除地线信号。同时，ＲS －485 串行通讯可以实现距离较长的高速通讯功能。虽然 ＲS －485 串行通讯可以进行长距离高速通信，但现实情况是大棚到计算机的距离较长，ＲS －485 串行通讯现有的能力实现不了实际的需要。因此，还需要在控制系统的上位机和单片机之间安装一个 ＲS －485 的转换器来实现数据的传输。ＲS － 485 串行通讯的作用是实现控制系统中上位机与单片机系统之间的通讯: 上位机给下位机下达各种命令，下位机根据上位机下达的命令进行判断; 根据判断的结果，下位机给上位机发送该命令所要执行的任务。


6 结语
本系统可监测农业设施现场空气温湿度、土壤温度、土壤水分含量等，并进行统计分析，根据育苗温度设置上下限值，控制电机通风换气等过程的决策和远程调控。这套设备集数据测量、存储、远程调控和自动报警为一体，使工作人员在办公室里就能通过网络看到植物生长状况，并进行远程监控。目前，该系统的初期设计成果已经在生产实践中开始使用，反应效果良好。
参考文献（略）