农业温室环境检测系统设计.pdf

第34卷 第4期2019年12月邢台学院学报JOUNAL OF XINGTAI UNIVESITYVol 34，No4Dec 2019收稿日期20190812基金项目2018年邢台市科技局课题:基于物联网技术的精准农业大棚环境监测系统设计研究项目编号:2018ZC055;2018 年邢台学院教改课题:基于创新应用型人才培养的自动化专业实验课教学模式改革研究项目编号:JGZ18002;2018年邢台学院科研课题:地方高校新工科创新创业实践体系的构建研究，课题编号: XTXYYB003; 高校实验室火灾探测系统的研究与设计，课题编号:XTXYYB005作者简介王晓旭( 1984)，女，河北省河间人，讲师，硕士研究生，主要从事自动化专业教学与研究农业温室环境检测系统设计王晓旭，王承林，成燕平(邢台学院物理与电子工程学院，河北邢台 054001)摘 要: 为便于对温室农作物生长环境的实时监测和数据管理，设计一种农业温室环境检测系统。系统设计基于STC15F2K60S2单片机的下位机检测系统，包括DHT11温湿度、MG811二氧化碳、BH1750光照强度、ML8511紫外线和YL69土壤湿度五种传感器模块。传感器将采集到的环境因子传送给单片机，单片机进行数据转换、传输和报警，同时控制LCD12864液晶屏显示。上位机监测软件制作基于MATLAB GUI (图形用户界面)，与单片机进行串口通信实现实时数据显示和曲线绘制，并且该软件还具有保存数据，查询历史数据等功能，系统操作简单、稳定性好，有很好的应用前景。关键词: MATLAB GUI; STC15F2K60S2单片机; 传感器; 串口通信中图分类号: S12 文献标志码: A 文章编号: 16724658(2019)04018006二氧化碳浓度、光照强度、紫外线强度、土壤湿度、空气温湿度等环境因子直接影响着植物的光合作用、病虫害发生率、种子发芽率、有机物产量、营养物质吸收等生长因素，利用温室技术的研究来提升农业生产效率，为作物提供适宜的生长环境意义重大。传统农业往往根据感知和经验对环境参数进行干预控制，数据掌握不准确、不科学，并且会造成人力和物质资源的浪费。通过在农业温室内灵活部署多种传感器设备，基于单片机对温室内与农作物生长密切相关的环境参数进行现场实时采集和显示，上位机采用Matlab开发环境设计PC机监控界面，实现对参数的集中监测1。系统操作简单、稳定性好，并且检测精度较高，节省劳动时间，成本低，效率高，同时更有利于精准农业种植。一、系统设计方案本设计主要分为两部分: (1) 下位机传感检测设备的设计及制作; (2) 上位机监测软件编写。系统总体方案如图 1 所示。五种传感器实时检测温室内六种环境参数的变化，经过单片机进行数据转换和处理后，一方面送液晶屏幕显示，另一方面经串口通信传输到PC端上位机软件进行远程数据监测。按键可进行单个参数的切换检测和显示控制，并且任一参数超过限定值时系统会蜂鸣器报警2。二、检测电路设计系统电路原理图如图 2 所示。硬件电路由 8部分组成，分别是单片机、按键、数据口、传感图1 总体设计方案框图器、显示器、蜂鸣器、3. 3 V和6 V电源电路3。(一) 单片机最小系统本设计选用 STC15 系列的 STC15F2K60S2 型号单片机，具有 864KB的 Flash 程序存储器，8通道高速 10 位 ADC，速度可达到 30 万次每秒，是传统的51单片机的812倍。其内部具有专用复位电路、C振荡器等模块，VCC 接5 V，GND端接地，即组成单片机最小系统，不需要附加晶振和复位电路。该单片机共有40个引脚，38个I/O，两个完全独立的串口/双串口，分时切换可当4个串口使用。(二) 传感器电路本设计共选用五个传感器，用于检测六种环境因子。1 DHT11数字温湿度传感器DHT11包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC第4期 王晓旭，等:农业温室环境检测系统设计 181图2 系统原理图测温元件，其DATA数据输出引脚接单片机P4.5口。2 MG811二氧化碳传感器本设计选用图 3 所示的 MG811 传感器模块，该模块的工作电压是 6 V，其探头对 CO2灵敏度高，当外界温度或湿度变化时仍能具有良好的稳定性，可以应用到多种环境 CO2浓度的检测。MG811为固体电解质传感器，探头输出的电压为3050 mV，为方便检测须外加电路进行放大，信号经CA3140放大后由 AO 口 (模拟电压输出口)输出，电压范围 02 V，二氧化碳浓度越高，该电压越低，测量浓度范围是010000 ppm。给二氧化碳传感器模块供电，充分预热后，输出开始稳定，将 CO2浓度转换为模拟电压，经AOUT端口传送至单片机P1. 1口进行AD转换，根据图4所示二氧化碳浓度与输出电压之间的关系，进行数字量的转换，从而实现CO2浓度的检测。图3 二氧化碳传感器模块实物图3 GY-ML8511紫外线传感器ML8511将光电流转化成与之成正比的模拟量电压值来检测 UV (紫外线) 强度，其 VIN 端口和EN端口同时接5 V电源，模拟量输出端口OUT182 邢台学院学报 第34卷图4 二氧化碳浓度与输出电压关系图和单片机P1. 2 口连接，用以 AD 转换，根据图 5所示特性将模拟电压量转换为对应的UV强度。图5 紫外线强度输出电压特性4 BH1750光照强度传感器BH1750是一款 IIC 接口的数字型光强度传感器集成电路，该传感器的分辨率高，测量光照强度的变化范围较大并且受红外影响小，具有功率低、电流小的特点。本设计使用的是 GY30光照度检测模块，采用5 V 电源供电，其 SCL 引脚接单片机P2. 6 口，用来定义 IIC 时钟引脚，SDA 引脚接单片机 P2. 7 口，用来定义 IIC 数据引脚，ADD接GND。5 YL69土壤湿度传感器传感器表面用镀镍处理，不容易生锈，使用时间长，利用三极管的电流放大原理，输出电压随着土壤湿度升高而增大。所采用的四线制传感器模块的AOUT模拟量输出端口和单片机P1. 3 口连接，经过 AD 转换，将电压值转换为土壤湿度值，DOUT数字量输出端口本次设计未接线，留作备用。(三) 电源电路本系统单片机、DHT11、BH1750、YL69传感器等电路需要5V 电源供电，可直接由供电电源(电池、USB、移动电源等) 提供。此外，CO2检测模块MG811需要6 V电压，5 V转6 V电路设计图中选用XL6009升压稳压模块，模块原理图如图6所示，输入电压332 V，输出电压535 V，其输出电压计算公式为VOUT=1. 25* (1+2/1)。图6 XL6009原理图紫外线ML8511模块需要3. 3 V电源供电，本设计采用稳压芯片 ASM1117 实现5 V 转3. 3 V 电路。ASM1117系列稳压器可以工作在较低的输入电压下，如 ASM1117 3. 3的最低工作电压是4. 44. 8 V，而 LM317 输出 3. 3 V 电压时要求最低输入电压为5. 36. 3 V。(四) 按键电路本系统共设计了K1K6功能按键，分别连接单片机 P3. 2 P3. 7 引脚，对应功能为 CO2浓度、空气温湿度、土壤湿度、光照强度、紫外线检测模式及由单项检测模式返回主界面。(五) 超限报警电路环境参数过高、过低都会影响植物的生长，为使本系统有更好交互性，设计加入了超限电路，由5 V电源供电，输入与单片机 P2. 5 口相连，检测到任一参数超过了预定范围，蜂鸣器会实时报警，提醒管理人员或控制设备进行干预控制。(六) 串口通信电路数据传输接口采用CH340 芯片的USB 转串口TTL模块，用作和上位机的串口通信和单片机程序下载器。下载器与单片机的 VCC 和 GND 对应连接，可为单片机提供5 V工作电源，TXD、XD分别接单片机的P3. 0、P3. 1口，实现数据的发送和接收。三、检测软件设计(一) 主程序设计首先进行头文件的声明，各变量、数组的定义，以及单片机引脚定义，进行各传感器和液晶屏的初始化，控制各个传感器检测环境因子，同时串口通信进行数据发送，实时检测参数是否超过预定范围，如果超过则报警系统报警提醒。检测K1-K5是否按下，若 K1-K5 按下则进入对应的第4期 王晓旭，等:农业温室环境检测系统设计 183环境因子检测界面，进行单个参数处理显示。如果K6按下，则返回主界面。系统程序流程图如图7所示。图7 系统主程序流程图(二) 单片机串口通信模块程序设计串口通信部分硬件设备要求较简单，软件部分串口通信主要是对 STC15F2K60S2 单片机串口控制寄存器SCON和选择寄存器 PCON 进行控制，进而对传输的数据位数、标志位、波特率、工作方式进行设置。通过发送缓冲器SBUF，进行数据的传送，最后将数据发送至PC ( MATLAB 监控软件) 上，由 PC 上软件进行数据的接收和进一步处理4。串口通信部分程序如下:void init_ uart () / /串口初始化SCON=0x50; / /8位数据，可变波特率AUX | =0x04; / /定时器2时钟为Fosc，即1TT2L=0xE0; / /设置低八位初值T2H=0xFE; / /设置高八位初值AUX | =0x01; / /串口1选择定时器2为波特率发生器AUX | =0x10; / /启动定时器2EA=1;void SeriPushSend (uchar send_ data) / /串口发送函数SBUF=send_ data; / /发送数据while (! TI); / /等待发送结束TI=0; / /清零TI四、上位机监测软件设计基于 MATLAB GUI 软件制作 PC 端上位机监测软件，由两部分构成，其中 FIG 文件: 包含界面控件布局设计及其对象属性设置; M 文件: 界面的主程序及回调函数子程序。根据本监测软件要实现的功能，设计其界面如图8所示5。图8 监测软件控件图184 邢台学院学报 第34卷各控件功能如下: “打开串口”控件，用来配置串口一些初始数据，打开串口调用 EveBytesAv-ailableFcn ( ) 函数，等待读取串口中的数据。Pop-up Menu下拉菜单控件，“串口号”用来选择串口，“数据位”用来选择数据位个数， “波特率”、“奇偶校验位”和“停止位”用来配置串口通信参数。 “接收区”Listbox 控件用于实时显示串口接收的环境参数，每接收一次数据换一行。“清空接收区”可清除文本框中的数据。 “坐标轴”axes1axes6 分别用来绘制温度、土壤湿度、CO2浓度、空气湿度、光照强度、紫外线强度的数值实时走势图像。“清除图像”可清除6个坐标轴上已经绘制的图像。“保存数据”用来将文本框中已经接收的数据存储到本地硬盘文件夹中，并按照保存时间命名，方便查询和调取。 “调取数据”则是将已经保存的历史数据调取出来重新显示到文本框中，并重新画图。“关闭串口”控件是将配置关闭，进而关闭串口。“退出”控件是退出GUI界面。界面功能实现中一个主要的函数是“打开串口”pbOpenSerial_ Callback ()，该函数可实现打开串口，串口通信参数配置，读串口数据回调函数 EveBytesAvailableFcn () 调用，部分内容如下6:function EveBytesAvailableFcn (t，event，handles)if s BytesAvailable0a=fscanf (s);%取出串口中数据d=strvcat ( get ( handles edit，string)，num2str (a) )set (handles edit，string，d); 接收区数据显示f=textscan (a，%d%d%d%d%d%d r n);x，y，z，x1，x2，x3 = deal ( f : ) %数据分配到六个变量: x 温度，y 湿度，z 土壤湿度，x1光照强度，x2 CO2，x3紫外线强度e (count，:) = cell2mat (f)count=count+1;axes (handles axes1);%坐标轴1hold on;plot (handles axes1，e (:，1)，b);% x变量温度曲线绘制grid on;%其余五个变量曲线绘制与下位机检测装置通信，监测软件运行测试结果如图9 所示。图9 上位机监测软件运行结果五、结语本设计通过单片机和 MATLAB 软件设计并制作了农业温室环境参数的实时检测和远程监测系统，能实现数据检测、传输、显示、保存及调取等功能。本系统耗电量小，可长期不断电工作，基本满足农业温室对环境指标的检测需求，便于实施科学种植。且该系统扩展性好，如需扩展检测参量只需增设对应传感模块，并进行软件修改即可实现。同时，改变环境因子对应的变量阈值(下转第188页)188 邢台学院学报 第34卷的标准化显示等。参考文献: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谭绪泉，谷建才，孙荣喜，等基于 Excel VBA 实现林分空间结构参数的自动计算J东北林业大学学报，2011，39(6):1161188祝昕刚用Excel VBA编制变形监测数据处理程序J地理空间信息，2011，9(3): 170172，1929魏凤英现代气候统计诊断与预测技术M北京:气象出版社，1999(责任编辑:张江霄)(上接第184页)便能适合多种植物生长环境的检测。本设计思想还可应用于特殊环境指标检测、室内空气质量检测等方面。参考文献:1韩力英，杨宜菩，王杨等基于单片机的温室大棚智能监控系统设计J中国农机化学报，2016，37( 1):6568，722王冬梅，路敬祎基于单片机的温室大棚智能监控系统设计J内燃机与配件，2017(6):683杨祥基于MSP430的农业环境监测仪设计与实现D重庆三峡学院，20174李江全单片机串口通信及测控应用实战详解M北京:人民邮电出版社，20145刘雅莉，张亚秋，王俊峰基于Matlab/GUI的温度采集监测系统设计J玉溪师范学院学报，2017，33( 8): 67706薛飞，杨友良，孟凡伟等基于Matlab GUI串口通信的实时温度监控系统设计J计算机应用，2014，34( 1):292296(责任编辑:张若洵)