温室大棚花卉智能监控系统设计

赵尚飞，陈立万，符译丹，欧 俊，张 颖（重庆三峡学院，重庆 404120）

当今社会科技发展飞快，随着人民生活水平的提高，鲜花成为了节日表达情感的首选，也是家庭装饰与美化的重要元素之一。为了培养不同季节的鲜花，人们将科技与花卉种植相结合，通过科技手段创造花卉适宜的生长环境。在土壤肥沃的前提下，花卉更容易受到外界环境多种生长要素的影响，比如空气温湿度、CO2浓度、光强度、土壤湿度、风速等。不同品种的花卉，对环境的要求也不尽相同。科技手段使温室大棚培养花卉成为可能，通过监控花卉成长条件，培育出不同季节生长的花卉。通过设计集温度、湿度、CO2浓度、光强度的多种传感器的监控系统，通过监控花卉生长环境指标，减少了长时间人力物力的投入，培育出不同节日期间所需要的花卉，满足市场需求。

系统方案设计

笔者设计温室大棚花卉智能监控系统，要求能根据土壤湿度、光强度、CO2浓度和空气温湿度的条件，自动调整花卉生长环境。在种植者忙碌或外出无法及时看护时，可通过手机终端查看温室温室大棚花卉的生长环境，必要时可以通过手机远程终端调整花卉环境条件。系统设计要实现的目标有以下3点：

（1）传感器能够实时、准确地检测采集环境温湿度、CO2浓度、光强度、土壤湿度等信息，将采集的数据传给单片机控制中心。

（2）根据花卉培养手册，设定空气温湿度、CO2浓度、光强度、土壤湿度上下极限值。通过单片机控制中心自动控制环控设备运作，调控花卉生长环境。

（3）终端远程监控，单片机控制中心将采集的环境数据经无线网络传送到手机终端，用户通过手机终端查看温室大棚花卉的生长环境。

土壤湿度、CO2浓度、光强度和空气温湿度是影响花卉生长环境的必要因素，笔者对于以上生长要素开展模块化设计。花卉监控系统由单片机控制模块、传感器采集模块、负载控制模块、WIFI模块、网络云平台和远程终端构成。温室大棚花卉系统模块化框图如图1所示。

图1 温室大棚花卉系统模块化框图

系统供电后，单片机、温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、土壤湿度传感器开始工作，环控设备未开始运作，单片机不断获取各传感器采集的信息。随着环境条件的改变，当环境参数超出设定的阈值范围时，环控电路开始运作，单片机通过WIFI模块发送数据给手机APP或者PC终端，方便工作人员监控花卉生长情况、及时处理模块故障。

硬件设计

在系统硬件设计中，采用灵活的8位CPU和系统可编程的FLASH微控制器STC89C52芯片。该芯片具有8K字节可编程可擦除只读寄存器、数据存储器、串口通信、串口外设接口、模数转换、脉冲宽度调制等模块，芯片性能高、功耗小。温度传感器模块采用DHT11传感器，DHT11传感器具有可靠性高和稳定性长等优点。该元器件精度满足花卉生长条件范围，系统设计采用该传感器测量环境温湿度，采用串行数据的传输方式进行数据的传输。

光照传感器模块采用GY-30光强度传感器模块，对于太阳光，白炽灯等光源进行检测，通用光照检测模块，内置16bitAD转换器，可以直接数字信号量输出，精度可选。GY-30光强度传感器能准确便捷地采集环境光强度，内置电平转换，即可得到光照数据。该模块支持低电压供电，可与5V单片机IO口直接连接。

CO2传感器模块采用红外CO2传感器，该器件抗振性能好，结构简单。通过分析波长的红外光强度以此得到CO2气体的浓度。

土壤湿度传感器模块采用电阻式土壤湿度传感器FC-28，通过测量土壤湿度的传感器所分的电压，计算土壤的电阻值，土壤湿度大小与电阻阻值成正相关[2]。使用模数转换芯片ADC0832将传感器所分的电压值换算成数字量，该芯片与单片机相连即可得到土壤湿度值。

WIFI模块系统采用ESP8266无线通信模块为媒介便于单片机接入网络云平台，该器件工作范围大、稳定性强、成本低且具有自组网功能。通过通信协议实现单片机与网络云平台的联通。

软件系统

单片机控制流程

在keil5软件平台上用C语言编写程序代码实现各模块功能，模块化设计，程序编译开发简单，易于修改。程序设定环境参数范围，完成温室大棚花卉环境传感器数据采集，对超出阈值设定的环境变量调整，控制继电器环控设备运行。

单片机供电后，系统串口初始化，光照传感器采集光源强度，光源不足时，打开光源补光，满足光照条件时，关闭光源；CO2传感器测量空气CO2浓度，高于上限值时，通过风扇通风降低CO2浓度，低于下限值时，CO2发生器自动打开，及时补充室内CO2浓度；温湿度传感器采集空气温湿度，高于上限值时，风扇通风降温，低于下限值时，电加热器加热升温；土壤湿度传感器测量土壤湿度，高于上限值时，风扇通风除湿，低于下限值时，洒水加湿；随后程序无限循获取环境数据，单片机控制流程如图2所示。

图2 单片机控制流程图

主函数程序

编写主程序，设置WIFI模块工作模式，设置为路由器模式，单片机串口初始化，将负载设备电路置于空闲状态，进入程序循环，执行温度程序控制模块，当温湿度传感器监测数据不满足温度上下限值时，调用温度上下限比较控制函数，使得监测数据维持在上下范围内；执行光强度程序控制模块，当光传感器测量数据不满足光照条件时，调用光源比较控制函数，使得监测数据满足光照条件；执行土壤湿度程序监测模块，当土壤湿度传感器测得数据不满足湿度上下限值时，调用湿度上下限比较控制函数，使得监测数据维持在上下限范围内；执行CO2浓度程序监测模块，使得监测数据维持在上下限范围内；执行WIFI程序模块，调用通信函数传输各传感器监测数据，或接受手机APP指令调用传感器模块函数，执行完一次循环，随后进入无限循环。条件满足时，系统执行指定程序段，实现相应功能；条件不满足时，循环等待。主函数代码如图3所示。

图3 主函数代码

手机APP开发

手机APP程序设计采用E4A开发平台中文语言编写。其主要功能是监测温室大棚花卉环境数据及负载运行情况。温室大棚花卉智能监控系统流程如图4所示。其主页面设有“温度”“土壤湿度”“CO2浓度”“光强度”等环境数据显示，同时设有“刷新”功能，一键获取当前数据设置和负载运作状态的实时显示。用户通过手机APP监控温室大棚花卉的实时数据，手机端通过网络云平台接受单片机传来的数据，并显示在手机APP上。

图4 温室大棚花卉智能监控系统

功能分析

手机APP监控

温室大棚花卉智能监控系统设计通过网络云平台、手机APP实现花卉的环境监控。单片机通过通信模块与手机APP进行信息交互，实时查看温室大棚花卉温度、CO2浓度、光强度、土壤湿度等数据，必要时接受手机APP发出的动作指令，可控制继电器负载运作。在不同条件下，进行测试，对比数据组分析，系统监测精度高、控制效果好。手机APP监控数据界面如图5所示。打开手机APP，点击刷新按钮，获取温室大棚最新环境数据，通过观测数据查看环境情况。必要时，打开手动开关，对需要改善的环境数据进行调整。

图5 手机APP监控数据界面

负载控制

通过测试继电器电路开合和释放，自动控制负载运作，以温湿度调整继电器自动控制为例，夏季花卉开花适宜温度范围一般为10～25℃，根据不同花卉生长环境温度程序设定温湿度的上限值与下限值，随着日出，温度上升至30℃时，温室大棚需要通风降温。温度调节显示如图6所示。

图6 温度调节显示

若空气温湿度超过设定上限值，则自动打开风扇进行通风降温。若空气温湿度低于设定下限值，则自动打开电加热器升温。依照程序设定，在DHT11传感器处吹热风，使温度高于设定上限值，则风扇自动打开，指示灯显示黄灯表示风扇正常运作。

总结

温室大棚花卉监控系统以网络为平台，运用物联网等技术，满足种植者实际使用需求。该系统设计成本低廉，故障少，维护方便，操作简单。同时对设施花卉生长关键指标（温湿度、CO2浓度、光强度、土壤湿度）进行监测与收集，通过手机终端进行智能控制。该系统有效解决了温室大棚花卉无人值守时花卉养护问题，能够保证适宜的花卉生长环境，使得花卉种植更智能，满足花卉种植户需求。