温室环境数据监测系统开发

摘要

　　温室作为设施农业的代表，它的自动化水平的高低将直接影响我国农业的发展前景。设计出与我国国情相适应的温室智能监测系统，才能为温室智能控制提供可靠依据，从而推动我国农业向现代化农业的迈进。

　　针对以上情况，本文旨在设计出一套成本低廉、操作简单、功能强大的温室环境监测系统。该系统包括两个部分：上位机系统和下位机系统。下位机系统按功能可分四个模块：主控模块、数据采集模块、数据显示模块和数据通信模块。数据采集模块负责将传感器采集到的数字信号进行处理，数据显示模块负责将得到的环境数据显示在 LCD 屏幕上，数据通信模块负责下位机与上位 PC 机间的数据通信。上位机系统利用 Labview 作为软件开发工具，系统可将各实时环境数据显示在 PC 机上，生成历史曲线，并可对数据进行存储。

　　试验表明，该套系统运行良好，可以满足温室环境监测的智能化、精确化的要求。

　　关键词：设施农业；温室；环境监测；传感器；上位机；下位机

Abstract

　　Greenhouse is the type of the protected agriculture and its automation level will directly influence on the agricultural development of our country. Only when we invent the monitoring system that is consistent with the national situation, can we provide reliable basis for the intelligent controlling system of greenhouse and help our country’s agriculture turn into modernized agriculture.

　　Basing on above problems, this article is aimed at exploring a greenhouse environment monitoring system that is cheap, simple and powerful. The system includes three parts:sensors, upper computer and lower computer. The sensors’s task is to collect datas and send them to the lower computer whose core is single chip. Upper computer system can be divided into four parts：master control module, data collecting module, data showing module and data communicating module. The data collecting module’s task is to manage the figure signals which are send by the sensors. The data showing module’s task is to show the environmental datas on the LCD screen. The data communicating module’s task is to ensure the communication between the upper computer and the lower computer. Upper computer system takes the Labview as the tool for the software development. The system could show the current datas on the PC and store them. The experiment indicates that the whole system operates well and can meet the demands of the greenhouse environment monitoring for intelligentizing and precision.

　　Key words: Protected agriculture; Greenhouse; Environmental monitoring;Sensors; Upper computer; Lower computer

　　二十一世纪是各国综合国力比拼的时代，是科学技术、文化教育、工业生产等行业齐头并进的时代。而我国作为一个农业大国，约有百分之六十以上的人口在从事农业生产[1]。与发达国家相比，我国农业生产技术落后，农业现代化水平低，传统农业仍旧占据主导地位，致使农牧民增收缓慢，严重阻碍了我国经济的稳定发展。

　　因此，大力发展农业生产，实现传统农业向现代化农业的转型，已成为我国农业工作者亟需解决的重大问题。

　　温室作为我国农业生产的重要组成部分，已在我国得到了较为广泛的应用,其技术水平的高低将直接决定我国农业的前景[2]。在生产力发展的推动下，智能监控系统应运而生[3，4]。温室智能监测系统是智能温室的一个重要组成部分，但由于设备价格昂贵，农牧民难以承受[5]。因此,农业工作者的一个重要任务就是利用微型计算机技术、传感器技术以及自动化技术、温室栽培技术,研发出低成本的温室环境数据监测系统,为农作物的增收提供适宜的外部条件[6，7]。温室环境监测系统可实现对温室内部各环境因子的实时数值的及时掌握，为及时调整栽培和管理、促进生态作物的健康成长提供了及时的科学的依据，有利于实现温室监管自动化。

　　设施农业是二十一世纪最有生命力的新型农业，设施农业能够保证作物的单产为粗放型农业的 5-6 倍[8]。荷兰等国家称环境监控自动化的现代化新型温室为植物的工厂,温室是全球农业向现代化发展的必然途径，并将会展现出无限的潜力[9]。自二十世纪七十年代以来，电子技术的飞速发展及微型计算机的问世使得温室数据的监测与控制技术产生了革命性的突破[10，11]。上世纪八十年代至今，国外专家针对温室环境监控实施了大量的实验[12]。Takakura 于 1989 年提出了依靠计算机控制环境因子的观点[13]。八十年代，以微型计算机为核心的温室环境自动控制系统在欧美国家和日本飞速发展起来，并逐渐进入网络智能化阶段[10]。

　　上世纪八十年代到九十年代，以色列的温室更新了三代，以色列科学家成功研发了多种计算机软件和硬件，实现了温室数据的自动监测和温室自动供水、施肥。

　　在日本，设施农业的发展起步较早，技术水平已十分成熟，温室大棚的应用率广泛。美国推出了当今农业领域水平最先进的全封闭式作物生产体系。该体系依靠计算机技术对太阳照射进行模拟，并对每棵作物依次进行编号，并针对不同生长阶段所需的各种肥料和水分进行量化，并由智能机器人完成该生产体系中的有关操作，极大提高了劳动生产率[14]。

　　我国的温室起步较晚。中国第一座塑料大棚于 1966 年在长春市建成，该大棚占地很小，仅有几百平方米。上世纪七十年代，我国出现了节能型日光温室，并较快发展起来。上世纪八十年代初，我国先后从美国、日本和保加利亚等国引进了若干套玻璃温室成套设备，但仅分布在北上广等大城市周围，我国独立建造的玻璃温室数量少，内部设施简陋，监测水平远低于国外先进产品，国产温室的推广及使用因而受到影响。

　　我国的大型连栋温室于近年有了较大程度的发展，其监测水平已相当先进。余勇研发的 Smith 预估器可有效减少纯滞后带来的影响[15]。杨家强、钟应善首次阐述了以单片机为核心监测温室温湿度的技术[16]。郝国法等人成功研发了一套高速数据监测系统，其控制电路的主控芯片为CPLD，系统的数据传输速度达到了 480Mbps[17]。

　　中国农业信息化研究中心开发出了智能型远程温室数据监控系统,该系统可监测温室内部土壤温度、环境温度、土壤湿度、环境湿度、叶片的含水量以及二氧化碳浓度和光照度等环境因子,并统计和分析收集到的环境数据,利用网络技术自动完成对温室作物的喷水、加温、施肥等操作。系统还可以将采集到的温室环境因子实时数据及时地显示在温室现场的液晶显示屏和监控室的 PC 机上，PC 机可保存这些数据，在特殊情况下系统系统还会自动报警，保证了管理者无需进入温室就可观测到温室环境数据并及时做出调整，温室自动化和智能化大大提高。

　　温室工程可以分为两个方面：一方面是温室结构工程；另一方面是温室数据测控系统。温室数据测控包括温室数据的采集和控制。温室数据采集系统以温室内部各环境因子的获得为目标,是由温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器等各种传感器及微型控制器所构成。在多种传感器的基础上，设计一套价格低廉、使用简单、功能多样的温室数据监测系统势在必行。

　　农业生产离不开良好的气候条件，光、热等气候条件的综合作用决定了作物的生。温室是现代化农业生产的单元，可使作物生长不受外界自然环境的影响，为作物健康成长提供最佳气候条件。温室控制的核心技术是环境控制,而该技术最终是为了提高控制的精度[16]，从而实现对温室环境数据的精准控制,这一切的前提就是如何快速而精确地监测到温室各个环境参数的实时数据。

　　本监测系统可及时在液晶屏上显示采集到的温室数据，并把数据保存在上位 PC机上，为温室管理者对温室环境的准确预判提供了科学的依据，弥补了人工经验在作物种植方面的不足，促进了温室监测向智能化的发展。

　　温室环境数据监测系统硬件选择：

AM2305 温湿度传感器

光强度传感器 BH1750

单片机 STC12C5A60

1602LCD

1602LCD 显示效果

通信模块电路图

目 录

　　1 引言
　　　　1.1 温室监测的国内外现状
　　　　　　1.1.1 国外研究现状
　　　　　　1.1.2 国内研究现状
　　　　1.2 研究的目的及意义
　　　　1.3 研究的主要内容
　　　　1.4 小结
　　2 温室主要环境参数及其调控方法
　　　　2.1 温室环境参数
　　　　2.2 温室调控方法
　　　　2.3 小结
　　3 系统的总体设计
　　　　3.1 监测系统结构设计
　　　　3.2 监测系统各结构方案设计
　　　　　　3.2.1 设计原则
　　　　　　3.2.2 下位机系统方案设计
　　　　　　3.2.3 上位机系统方案设计
　　　　3.3 小结
　　4 监测系统的硬件选择
　　　　4.1 传感器的选型
　　　　　　4.1.1 温湿度传感器的选型
　　　　　　4.1.2 光照传感器的选型
　　　　4.2 单片机的选型
　　　　4.3 液晶显示器的选择
　　　　4.4 主控模块电路设计
　　　　4.5 采集模块电路设计
　　　　4.6 显示模块电路设计
　　　　4.7 通信模块电路设计
　　5 监测系统的软件设计
　　　　5.1 主程序
　　　　5.2 采集子程序
　　　　5.3 显示子程序
　　　　5.4 通信子程序
　　6 上位机系统设计
　　　　6.1 系统程序开发软件介绍
　　　　6.2 上位机主界面设计
　　7 测试结果与分析
　　　　7.1 实验地点及实验方案
　　　　7.2 实验结果分析
　　8 结论与展望
　　致 谢
　　参 考 文 献

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