基于“互联网+”的温室大棚环境监测系统

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　　摘 要 温湿度最能影响到作物的生长情况，但是只靠人的直观感觉很难判断温湿度微小的变化，所以需要一个实时的“互联网+”环境监测系统来监测种植环境中的温度和湿度。因此，建立一个基于STC89C52RC单片机，用温湿度传感器进行数据监测的温室大棚监测系统，通过蓝牙模块和报警系统把温湿度和报警信息传输到用户，以达到实时监测的效果。该系统结构简单、系统性能可靠、实用性强，能适用于普遍的大棚环境监测，利于操作和推广。
　　关键词 “互联网+”;温室大棚;STC89C52RC;温湿度传感器
　　中图分类号：TP242 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.29.086
　　目前，我国已经走在工业化、城镇化的道路上，在城市中已经很难看到耕地。随着耕地面积的减少，保持种植产量的平衡显得至关重要，而温室大棚就是一种可以保证作物产量和质量的种植方式[1]。
　　种植业现代化、自动化的进程越来越快，而伴随着高科技在农业上的应用，温室大棚技术应运而生。目前我国温室大棚的应用比例正在不断加大，若没有合适的监测系统支持，种植业的发展将受到阻碍。当面临恶劣环境时，种植户的经济效益将得不到保障。此外，人对环境参数进行检测不仅不准确，且不能长期工作，这样还增加了人工成本，也不利于种植质量和规模的提升[2]。显然，仅靠主观的印象来判断天气的变化，并以此实现传统农业向自动化、智能化农业的转型，是远远不够的。因此，就需要一个监测系统，能实时对作物生长环境中的温湿度参数进行精确地采集，然后加以比对和监控，从而实现种植业的自动化、智能化管理，同时提高作物品质和土地的利用率。
　　1 系统方案设计
　　1.1 系统组成及其功能设计
　　出于对系统成本、应用环境、功能实现和系统整体性能等多方面的考虑，设计出的系统以STC89C52单片机为控制中心，通过程序设置系统阈值的初始值，用户也可以通过板面上的机械按键或在手机APP上进行阈值设置[3]。单片机通过DHT11进行数据的采样，直接获取温湿度的数字值，经过处理后把数据发送到显示屏上，用户可通过按键进行翻页操作，把LCD切换到设置页面还可以设置环境参数阈值。报警系统由蜂鸣器和LED灯共同组成，每一个LED灯对应一种报警情况。系统会将设置好的温湿度阈值保存在单片机内部的EEPROM中，每一次上电或复位都会读取内部数据存储器恢复数据。
　　1.2 系统整体方案选择
　　环境因素的变化是影响作物生产的直接原因，其中最直接的影响就是温度和湿度的变化。在一般情况下，环境中温度变化范围在0～45 ℃，其中微小的变化都需要进行监测。而大棚内环境变化复杂，需要高精度、抗干扰能力强的传感器，经过环境因素和成本的考虑，决定采用DHT11作为系统的温湿度传感器。因为DHT11传感器能适应大多数的使用环境，且精度高、误差较低，完全符合系统设计的需要。显示界面的选择有2种，数码管显示和LCD显示。鉴于数码管仅能显示数字的缺点，系统采用显示更加清晰、全面，资源占有更少的LCD屏。在MCU的选择方面，秉持系统成本最低和可靠性、易操作的原则，采用了自带内部数据存储器的STC89C52单片机，此款单片机性能足够在系统中实现所需要的功能。
　　2 系统硬件设计
　　2.1 显示模块
　　LCD屏需要显示的内容主要分为2页，通过按键可对页面进行切换，其内容包括单片机与DHT11连接而采集到的温湿度数据以及系统设置的温湿度上下限。该系统在上电之后有一定时间的延时，等待系统初始化完成后可以获取传感器的数据，并显示到屏幕上。程序必须先对显示屏初始化再进入从DHT11模块中采集数据并显示的主程序循环。显示屏分两行显示，要准确显示出数据，因此编程时要确定对应显示的地址。
　　2.2 报警模块
　　报警系统主要由2个部分组成：1）板面上的LED灯和蜂鸣器;2）手机app上的指示灯。而系统的报警值不能超过传感器的测量范围，因为这样设置对系统是没有意义的。每当温湿度超过设定的范围时，蜂鸣器都会报警，而每一个LED灯都对应一种超过阈值的情况。
　　2.3 按键模块
　　监测系统一共有4个按键，包含1个复位按键和3个设置功能按键。复位按键提供用户手动复位操作，当系统出现异常时可快速对系统进行复位操作，此功能可以靠硬件实现，不需要程序支持。按键2是切换按键，其功能是显示屏页面的切换和温湿度上下限选择的切换。当LCD屏处于显示温湿度状态时，按下按键2可切换到设置页面;当LCD屏处于设置状态时，按下按键2可切换至显示屏光标位置，连续按下4次按键则可返回显示页面，系统会自动保存设置好的阈值。其余2个按键在第1页显示状态下不起作用，当处于设置温湿度阈值页面时，则可作为调整温湿度上下限设置数值使用，按下按键3为光标位置上数值加1，按键4为光标位置上数值减1。
　　2.4 读写内部EEPROM
　　监测系统需要对温湿度上下限的配置数据进行存储和读取的操作，此时就要用到单片机内部的EEPROM实现此功能。此功能主要用于系统恢复掉电或是进行复位操作前储存好的数据。使用内部EEPROM前需要打开ISP和IAP功能，配置相关的寄存器。对内部EEPROM进行读写操作时，需要先关闭全部中断，以免在进行读写操作时出现错误，在操作完成后再把中断打开。系统中通过按键设置阈值，设置成功后程序自动完成对数据的保存操作。因此，要启用ISP/IAP功能，就要对相关特殊功能寄存器进行配置。
　　2.5 蓝牙模块通信
　　要实现单片机系统与手机移动端通信，就需要遵循一定的传输规则。在通信方式上，程序上制定了一对一关系的协议规定，即每一个数据对应一个标志位。其中标志位表示数据包的种类，数据位是具体的数据内容。传输的数据包类型主要有10种，分别是4个LED灯的状态数据，2个温湿度具体数据和4个温湿度上下限的数据。每一个数据包对应一个标志位，上位机根据标志位识别传输数据的类型，然后准确地处理传输过来的数据。在下位机也是以同样的道理解析从手机app接收到的数据，但是对接收到的数据需要经过判断才能完成对系统的设置，而不是全盘接收。例如上位机在发送一个数据到下位机前，需要发送一个请求位，保证数据传输是正确的，且设置数值的上限值不能低于下限值，因为这样做是没有意义的。在本设计中，发送和接收数据时都要用到指定的寄存器SBUF，在用于发送时，只能写不能读;用于接收时，只能读不能写。为了避免数据位与标志位相同造成错误的判断，不管是在发送还是接收，数据都需要进行字符到数字之间的转换。当发送数据时，TI数据位为1，当发送完成后对TI进行复位。当接受数据时，RI数据位为1，进入中断后数据储存在SBUF中，接受数据后RI位复位。
　　3 系统软件设计
　　程序编写使用Keil uVision 4作为开发环境，采用C语言编写。在编译完程序文件之后，把生成的.hex文件烧录到单片机中。使用该软件时设置单片机型号，并选择对应的COM端口，然后执行Download操作即可。本系统用到的功能模块有显示模块LCD1602、温湿度传感器DHT11、蓝牙模块HC-05;辅助器件有LED灯、按键和蜂鸣器。程序主要实现的功能有单片机获取温湿度传感器DHT11数据;LCD屏显示采集到的温湿度数据和设置好的阈值;通过按键设置系统阈值;系统软件监测数据，温湿度超出阈值系统蜂鸣器自动报警;蓝牙模块接收和发送数据，系统程序解析、处理数据;对内部数据存储器进行读写操作，实现数据恢复。
　　4 结论
　　近年来互联网、微型处理器和传感器技术等以惊人的速度发展，他们以廉价的制造成本和可靠的数据得以快速推广应用，在种植业拥有自己的一席之地。本研究将单片机STC89C52RC應用于“互联网+”的温室大棚中，同时结合传感器、计算机技术对大棚内的温湿度参数进行实时监测。可以根据监测数据和农作物的生长需求，有效调节大棚内的环境条件，使温湿度控制在理想的范围内，从而提高产量和质量。本系统可在手机移动端上实时获取到数据并且设置阈值，从而实现远程监控，具有操作简单、稳定性强且数据准确的优点。
　　参考文献：
　　[1] 张伟滨.基于Zigbee温室大棚远程监控系统研究与实现[D].大庆：东北石油大学，2014.
　　[2] 杨飞，谢涛，伍英，等.基于WIFI的农业物联网温室大棚环境监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2017，
　　25（2）：50-53.
　　[3] 张鑫，樊帅.基于安卓平台的温室大棚监测系统研究[J].南方农机，2019，50（18）：2.
　　（责任编辑：赵中正）
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