分布式大棚环境监控系统的设计与实施

廖尚誉 尤晓萍（厦门大学嘉庚学院机电工程系，福建 漳州 363105）

分布式大棚环境监控系统的设计与实施

廖尚誉 尤晓萍
（厦门大学嘉庚学院机电工程系，福建 漳州 363105）

摘 要：温室大棚中的温度、湿度、通风等是影响大棚生成的主要因素，本文设计了一套调节蔬菜大棚温度、湿度及通风的控制装置。本设计包含温度、湿度及风速检测装置，并通过无线传感器网络传输到控制中心，收集大棚各位置的状态信息，然后控制大棚四周的薄膜开关、水帘、风机等执行机构的控制，实现了大棚各位置的温湿度控制。并实际应用于蔬菜的无土栽培中。

关键词：温室大棚；单片机；分布式监测

温室大棚中作物长势的好坏、质量和产量的高低与温室大棚中的温度、湿度、风速等因素密切相关，因此对温室大棚的环境因素监测和控制是非常重要的一环。本文设计“大棚环境监控系统” 基于单片机实现温湿度测量，并通过Zigbee无线传感器网络将数据传输到控制中心，实现数据的集中管理，并做出决策，控制大棚中的薄膜开关、水帘、风机等执行机构，对大棚的环境进行监控。

1　监测系统设计

温室大棚监控系统主要包括监控节点，路由控制中心及薄膜开关、水帘、风机等执行机构。如图1所示，监控制节点包括监测和控制两部分，监测部分对现场温度，湿度，光照强度及风速的检测，控制部分包含了薄膜开关、水帘、风机等执行机构的控制。各个节点都包含Zigbee通讯模块，能将节点的监测信息通过Zigbee传输到控制中心，再由控制中心通过Zigbee传输控制指令给监控节点实现对各执行机构的控制。

2　系统硬件设计

2.1 大棚监控节点

大棚监控节点采用STC12系列单片机作为控制芯片，该芯片内置高效低功耗的8051内核、64K可编程Flash、8路10 位AD传感器、3路定时计数输入等。通过UART串口与CC2530模块通讯，实现数据的无线透明传输。CC2530模块在板载PCB天线的条件下可实现80米可视范围内的数据通讯，及多节点之间的多跳路由。大棚监控节点采用DHT22实现对环境温度和湿度的检测，DHT22采用单总线结构实现温湿度的数字检测，湿度测量范围：0-100%RH，湿度测量精度：±2%RH，温度测量范围：-40℃-80℃，温度测量精度：±0.5℃；采用YGC-FS风速传感器对风速进行检测，该风速传感器以脉冲信号输出，用单片机的定时计数器采集脉冲宽度，并将其转化为风速值，测量范围为0-70m/s，测量精度可达±（0.3+0.03V）m/s。控制部分主要为继电器实现对各执行部件的控制。图2为大棚监控节点电路原理图。

2.2 控制中心

控制中心电路采用STC12系列单片机作为控制芯片，并带有无线通讯模块和LCD12864中文显示模块，可显示各节点的状态信息。收集完各节点信息后，控制中心根据设定好的决策对各控制节点发出控制指令，实现大棚薄膜开关、水帘、风机，从而达到调节大棚内温湿度和控制大棚内空气流通效果。

3 控制策略与程序设计

3.1 控制策略

本设计主要是检测各节点的温湿度信息，然后对大棚内的整体温湿度进行调控。该控制需求主要以无土栽培的实际经验测试得到。主要的控制过程如下：温度控制：（1）当温度小于或等于26度时，先关闭水帘电机，在关闭左右薄膜，60s后在关闭后侧水帘薄膜。（2）当温度大于或等于30度时，先打开后侧水帘薄膜。60s后在打开风机，在打开左右薄膜。（3）当温度大于或等于32度时，左右薄膜关闭，后起动水帘电机，在打开排气风扇降温。湿度控制：当湿度60度时关闭排气扇，湿度80度时，打开排气扇，关闭水帘电机。抽水浇菜控制，早上6点抽30分钟，中午10点抽30分钟，下午2点抽30分钟。每个下午4点钟，大棚顶黑网合起来。

3.2 程序设计

大棚控制节点首先进行Zigbee组网，然后检测沙井盖开启状态信息，再监听Zigbee网络的指令信息，根据指令信息反馈当前状态。

图1　温室大棚监测系统架构图

图2　大棚监控节点电路原理图

图3　大棚监控节点流程图

图4　控制中心的控制流程

大棚控制中心节点主要协调大棚内各节点与控制中心之间的数据。由于节点的个数较多，如果由大棚监控节点主动向路由节点发送信息的话容易造成同一网段内多个节点同时向路由节点发送信息的情况，造成信息的滞后，甚至丢失，因此控制中心与监控节点之间采用主动查询的方式，由控制中心定时向监控节点发送查询指令来查询大棚内各节点的状态信息。大棚内温湿度控制的实时性要求不用很高，可以几分钟查询一次节点信息。因此不会出现大量的数据传输。

结语

该设计在企业的实践基地中进行测试，经实地测试，该设备的检测精度满足实际控制中大棚温湿度控制的需求，且比PLC设计的相关设备的成本更低，取代了原有大棚内的PLC控制系统，很好的实现了大棚内环境的监测与控制任务，为企业节约了大量的人力资源，同时数据可通过控制中心导出到计算机中进行分析与存档，增强了用户的体验。

在后期的研究中，我们将继续研究，可实现大棚的远程控制，并针对有土栽培的加入土壤湿度检测，无土栽培加入酸碱性检测等，提高设备的适用范围，还可增加日期，并引入研究人员的经验数据，针对植被在四季中的适应性对大棚内温湿度情况进行调整。

参考文献

[1]张守艳.基于ZigBee的智能大棚控制系统研究[D]. 曲阜师范大学，2014.

[2]李伟，段翠芳，滑伟娟.国内外温室监控系统的发展及趋势[J].农业科技与装备，2010（10）.

[3]姜源，郑玉丽.基于无线传感器网络的智能大棚控制系统[J].现代电子技术，2011（11）.

[4]王兴山，李歧强，毕崇宁，张荣元，侯立刚.基于嵌入式系统温室环境远程B/S监控系统设计[J].自动化仪表，2008 （07）.

[5]郑强，彭琳，邹秋霞，郜鲁涛.基于嵌入式Web服务器的远程温室监控系统设计[J].农机化研究，2013（11）.

中图分类号：TP29

文献标识码：A