基于多传感器融合结合单片机在温棚环境控制系统中的应用

杨柏松，熊建斌，2，郑桂彬，邹东兴

（1.广东石油化工学院 计算机与电子信息学院，广东 茂名，525000；2.广东省石化装备故障诊断重点实验室 广东 茂名，525000）

大棚温室是一种可以改变植物生长环境，为植物生长创造优良的条件，避免遭遇季节变化和恶劣天气影响的温室。温棚环境的关键技术是环境控制， 主要是对一些参数进行检测与控制。 例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温棚环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温棚生产管理自动化、科学化的基本保证[2-6]。 在监测数据的分析的基础上，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的[1-3]。

目前, 国外的温棚环境控制技术已经发展到计算机自动控制的现代高科技温室,并已形成一定的标准[4-7]。 而我国的温棚环境控制系统相对落后，尤其在温棚环境自动控制方面，并且其只在大规模的农业温棚环境中运用[2-5]。中、小规模的农业温棚仍由大部分人工来操作检测，其劳动强度大，无法实现温湿度的精确控制。 结合近几年来，运用在中、小规模的农业温棚自动控制系统，其成本相对较高，性能不够稳定，易受到环境等因素的影响，因此，得不到广泛的运用[3-6]。

结合我国现应用在中、小规模温棚环境自动控制系统的不足，设计出一套低成本、性能稳定、微型自动控制系统是当务之急。 因此，本文研究的是利用性价比高51 单片机的核心部件；通过搭建光强采集模块、温度采集模块、湿度采集模块和按键上下调温控制模块来监测温棚室内影响植物生长的环境因素。 本温棚环境控制系统能通过相应的传感器检测出当前温度、湿度、光强等并能过LCD 显示屏显示，当温棚室内的环境因素值不在设定的范围内时，会出现报警提示，并自动反馈做出相应的处理。

1 控制系统方案设计

本温棚自动控制系统中， 利用数字式温湿度传感器DHT11 采集温湿度信息，光照传感器BH1750FVI 采集光强参数并回传给单片机， 单片机将模拟量处理之后的数据送给LCD1602 液晶显示，以便相关工作人员直观了解当前环境因素。 本系统默认温度范围设定为15～35℃， 湿度设定55%～75%，为了适应不同农业作物的适宜环境因素，可以通过键盘重新定义适宜农作物生长的环境因素。系统正常工作后，如果当前环境温度不在设定范围内， 则说明当前温度不满足工作需求，则单片机自动启动负载电路，并根据当前温度，若温度小于15℃，开启加热灯补光增温，以快速达到提高温度效果。当环境实时温度比所设定的温度值高的时候， 通过温风扇排气导风降温，以达到设定值；反之，从而达到一个自动控制的作用，整个系统形成一个闭环温度值，湿度控制同理。

2 硬件系统设计

整个自动控制系统采用模块化设计，主要有光照强度采集、温度和湿度采集、LCD 显示、增温电路、降温电路。 其用到的器件清单如下:

单片机芯片STC89C51、 排阻RESACK-8、 液晶显示器LCD1602、 按键开关BUTTON、 指示灯LCD-RED、 二极管1N4001、温度传感器DS18B20、湿度传感器DHT11、光强传感器BH1750FVI、 滑 动 变 阻 器3361P-1-102GLF、 排 气 扇MOTOR、继电器RELAY、电阻RES。对主要器件简要说明如下：

2.1 单片机芯片STC89C51

STC89C51[8]是一种低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。 STC89C51 主要功能如下：

①一般控制应用的8 位单芯片

②晶片内部含有时钟振荡器 （传统最高工作频率可至12MHz）

③内部程式存储器（ROM）为4KB

④内部数据存储器（RAM）为128B

⑤外部程序存储器可扩充至64KB

⑥外部数据存储器可扩充至64KB

⑦32 条双向输入输出线,且每条均可以单独做I/O 的控制

⑧5 个中断向量源

⑨2 组独立的16 位定时器

⑩1 个全双工串行通信端口

2.2 DHT11 温湿度采集模块

DHT11[9-10]数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器， 运用了数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证了产品的可靠性和卓越的长期稳定性。其基本参数如下:

表1 DHT11 温湿度采集模块基本参数Tab.1 The basic parameters of temperature and acquistion module of DHT11

2.3 BH1750FVI 光照强度采集模块

BH1750FVI[11]是一种两线式串行总线接口的集成电路，可以根据收集的光线强度数据来进行环境监测， 其具有1lx-65535lx 的高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化。

2.4 温度显示模块（LCD1602）

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2 和40×2 行等的模块[8]。

LCD1602 主要技术参数如下：

显示容量:16×2 个字符

芯片工作电压:4.5～5.5 V

工作电流:2.0mA(5.0 V)

模块最佳工作电压:5.0 V

字符尺寸:2.95×4.35(W×H) mm

2.5 按键模块

在本设计中有三个独立按键[12-13]，如图1 所示；分别连接单片机的P2^5，P2^6，P2^7 I/O 口。其中S1 为菜单键。正常状态显示当前环境温度信息如图2 所示，按第一次菜单按键,进入限定最高温度输入模式，如图3 所示；按第二次, 进入限定最低温度输入模式，如图4 所示；按第三次结束循环,返回当前温度显示。S2 温度上调按键，用于手动提高设定的数值，S3 温度下调按键，用于手动降低设定的温度数值。

图1 按键电路连接图Fig. 1 Key circuit connection diagram

图2 当前温度显示界面Fig. 2 Display the current temperature

图3 限定最高温度输入操作界面Fig. 3 Limiting the maximum temperature of the input interface

图4 限定最低温度输入操作界面Fig. 4 Limit lowest temperature input interface

2.6 温度自动控制模块

本自动温棚环境控制系统设计中将温度默认设定为15～35 ℃。当环境温度高于35 ℃时，单片机的I/0 口发出控制信号使继电器控制强电系统启动加热电路； 当大棚内的环境温度低于15 ℃时，单片机的信号控制继电器启动强电降温电路。

3 实现及调试

3.1 主程序框图

系统主程序框图如图5 所示，主程序主要包括以下几个重要步骤：

①单片机初始化，对芯片内存工作参数进行使用前的初始化；

②程序读取BH1750FVI 传感器的光照强度；

③程序读取DHT11 数字温湿度传感器的温湿度；

从比较优势理论角度来看，各国要素禀赋的差异导致的产品价格差异产生了国际贸易。凯恩斯的宏观经济理论提出收入变化将影响消费者的购买力，因此收入也是影响贸易需求的重要因素。根据需求弹性的相关定义和上述理论，中国乳制品进口需求主要受进口价格和消费者收入两方面的影响。假设将中国乳制品年进口量Q作为模型的因变量，将经济环境中影响乳制品进口的因素作为自变量，估计进口的需求价格弹性。

④程序判断是否有手动输入设定温湿度控制范围，若有，更新上下限温湿度参数设定；若无，执行下一步的数据处理；

⑤判断是否超过设定温湿度，若超过温度上限则启动降温湿模 块，若没有超过则继续进行判断；

⑥判断是否低于设定温湿度，若低于温度下限则启动加热温湿度模块；

⑦若位于初始化设定温湿度，则返回刷新实时温度。

3.2 调试说明

本次系统的程序采用C 语言编写，通过在Keil uVision3编写，其过程如下：

图5 主程序框图Fig. 5 The main program block diagram

①创建一个项目，从器件库选择目标器件，配置工具设置。

③用项目管理器生成你的应用。

④修改源程序中的错误。

⑤程序修改完，通过编译后，生成HES 文件，启动Proteus仿真软件画好相应的电路图，烧写进HES 文件，进行相应的性能验证。

本温棚自动控制系统预先设定的室内温度为15～35 ℃，当温度传感器检测到此时温度在此范围内时，排气扇、热光灯不工作。 如下图为温度传感器检测到温棚的温度为28 ℃时，排气扇、热光灯不工作，同时液晶显示屏显示28 ℃。 如图6 所示。

当温度传感器检测到此时温度为38 ℃时，报警器工作，同时排气扇工作，通过抽风机向外排气，以降低温棚的温度。 一段时间后，温棚的室温维持在预设的温度内时，排气扇停止工作。 如图7 所示。

图7 温度过高状态Fig. 7 High temperature state

当温度传感器检测到此时温度为12 ℃时， 报警器工作，同时高温灯光工作，通过灯光发光来补充温棚内的温度。一段时间后，温棚的室温维持在预设的温度内时，高温灯光停止工作。 如图8 所示。

图8 温度过低状态Fig. 8 Low temperature condition

通过相应的温度、湿度、光强相应的性能测试后，验证本自动控制性能稳定，抗干扰能力强，不易受环境等因素的影响。

4 结论

针对我国现阶段的农业温棚环境自动控制系统大部分应用在大规模的农业温棚中，中、小规模农业温棚仍由大部分人工来检测与控制，不仅效率低、精确度低，而且劳动强度大。为了进一步解决中、小规模农业温棚由人工操作这种现状，设计了由性价比高的51 单片机为核心， 通过搭建光强采集模块、温度采集模块、湿度采集模块和按键上下调温控制模块组成一种性能稳定、性价比高、体形小和便宜携带的温棚自动控制系统。但由于温度传感器、湿度传感器等在测取温度、湿度、光强方面有一定延迟局限性，需要进一步研究。

[1] 方安平,孔令凯.嵌入式技术在温棚环境控制系统中的运用[J].软件导刊,2007(1):32-33.

FNAG An-ping, KONG Ling-kai. Embedded technology in greenhouses environmental control system[J]. Software guide,2007(1):32-33.

[2] 卢松泉.温棚环境数据采集和无线传输系统[J].电子科技，2013,26（9）：89-90.

LU Song-quan. Greenhouse environmental data acquisition and wireless transmission systems [J].Electronic science and technology,2013,26（9）：89-90.

[3] 李纪文，骆德渊，刘荣.数字PID在温室环境自动控制中的应用[J].农机化研究，2009(1)：205-206.

LI Ji -wen, LUO De -yuan, Liu Rong. Digital PID in Greenhouse Environment Control [J].Agricultural mechanization research, 2009(1)：205-206.

[4] 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):4-6.

LI Hui，LIU Yi.Greenhouse control the direction of technology development [J].Forestry Machinery &Woodworking Equipment,2004，32(5):4-6.

[5] 易顺明，赵海兰，袁然.基于单片机的大棚温湿度控制系统设计[J].现代电子技术,2011,34(7)：130-134.

YI Shun-ming,ZHAO Hai-lan,YUAN Ran.Based on single chip microcomputer of greenhouse temperature and humidity control system design [J].Modern electronic technology,2011,34(7)：130-134.

[6] 周曙东，周文魁，朱红根，等.气候变化对农业的影响及应对措施[J].南京农业大学学报:社会科学版，2010，10（1）：34-35.

ZHOU Shu-dong,ZHOU Wen -kui,ZHU Hong -gen,et al.Impact of climate change on agriculture and countermeasures[J].Journal of nanjing agricultural university:Social science edition,2010，10（1）：34-35.

[7] 周绍炳，温棚自动控制系统的研究与设计[D].成都：电子科技大学，2012.

[8] 李林功.单片机原理与应用—基于实例驱动和Proteus仿真[M].2版.北京：科学出版社，2013.

[9] 韩丹翱， 王菲.DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].电子设计工程,2013,21(13):83-85.

HAN Dan-ao,WANG Fei.DHT11 digital temperature and humidity sensor applied research [J].Electronic design engineering,2013,21(13):83-85.

[10]刘军良.WiFi技术在温湿度远程监测系统中的应用[J].自动化仪表，35（6）：79-81.

LIU Jun -liang.WiFi technology in the temperature and humidity of the remote monitoring system [J].Automation instrument,35（6）：79-81.

[11]云中华，白天蕊.基于BH1750FVI的室内光照强度测量仪[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，(6):27-28.

YUN Zhong-Hua,BAI Tian-rui.Based on BH1750FVI indoor light intensity measuring instrument [J].Microcontroller and embedded systems applications,2012，(6):27-28.

[12]方玉鑫. 基于单片机的温湿度控制系统的研究与应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[13]曾慧琴.智能温度测量系统[D].成都：西南交通大学，2014.