基于单片机的大棚温湿度实时控制系统设计

张玮玮，董 昭

（安阳工学院，河南安阳455000）

传统农业往往受到地理环境、自然环境等诸多因素影响，农产品产量和品质控制难度较大，这使得以温室大棚为主的设施农业对保障农业安全、促进农业发展具有重要意义。科学控制温室内温度、土壤湿度、光照强度是温室大棚的关键技术，为进一步实现智能、科学、合理地调节温室温湿度、光照度，形成有利于作物生长的理想环境，确保温室内农产品品质和效益，本文参考有关文献[1-6]，设计了一种大棚温湿度控制系统。

1 设计思路

该系统采用单片机技术、传感器技术与网络技术相结合的技术路线，根据传感器检测到的数据，Arduino Mega 2560单片机通过控制继电器，驱动排风扇、加热带、水泵、生长灯等执行装置，根据植物的生长特性进行远程自动控制，使系统各项参数达到设定目标。系统结构框图如图1所示。

图1 系统方框图

系统选择Arduino Mega 2560单片机作为核心，分别由以下几个部分组成：Arduino Mega 2560单片机、LCD显示部分、按键部分、继电器部分以及外设部分等。系统通过温湿度模块检测环境温湿度，将检测到的信号发给单片机，单片机将接收到的信号与系统参数值互相对比，再发出相应的控制指令。液晶显示模块可以显示当前环境的温湿度，再通过外设对温湿度进行控制，使其符合作物生长要求。

2 系统软件设计

2.1 主程序

系统读取温湿度数值，通过对应控制继电器驱动执行装置，按照设定要求调节大棚温湿度，主程序流程图如图2所示。

图2 系统主程序流程图

2.2 检测子程序和控制子程序

检测子模块包括传感器和显示屏控制。在检测子程序中，系统利用传感器采集环境中的数据，经单片机处理之后，通过显示屏显示实时数据。在控制子程序中，通过传感器检测到的数值和设定目标参数，利用单片机控制继电器的常开常闭触点，用以控制外部设备，通过这些外部设备对系统中的环境参数进行调节，也可选择手动模式进行控制。

2.3 WiFi模块及云平台

WiFi模块的主要功能是连接中继路由器，WiFi模块和贝壳物联之间的通信是基于TCP的网络协议，通过连接云端系统稳定运行。由于每条成功发送的指令都会有信息反馈，处理器会根据收到的数据结果分析是否进行下一步动作。

云平台作为云端服务器可以储存和处理数据。云平台最主要的功能是提供人机交互界面，提供实时数据显示。本设计采用C语言编程设计界面，可以使实时数据变为动态曲线，让用户更便捷发现环境数据变化，从而创造满足农作物生长所需的适宜环境。

3 系统硬件设计

硬件电路包括数据采集模块、显示模块、控制模块、复位模块。单片机使用外部电源+9V电源进行供电。

3.1 总体电路图

总体电路如图3所示。

3.2 数据采集模块电路

数据采集部分的电路由两个传感器组成，一个是DS18B20温度传感器，另一个是YL-69湿度传感器。温度传感器需要一个上拉电阻来稳定信号，使总线持续高电平，准确读取当前的温度值。湿度传感器是一个集成模块，把它的各个引脚连接到Arduino Mega 2560单片机上即可。

3.3 显示模块电路

本设计使用LCD12864显示屏，电路如图4所示。

图3 电路原理图

图4 显示模块电路图

3.4 控制模块电路

控制部分包括单片机、继电器、单刀双掷开关、加热带、水泵、排风扇。水泵和加热带采用220 V的交流电源供电，排风扇使用12 V的直流电源供电。控制系统有自动手动两种模式。

3.5 复位模块电路

Arduino Mega 2560单片机的复位引脚是低电平复位，所以用按键按的时候给RESET引脚一个有效的低电平即可。

4 测试

4.1 控制系统基本功能测试

本文设计一个模拟大棚封闭环境对系统进行基本功能测试，目标参数设置为温度23℃，湿度95%，光照85 lux。

4.2 WiFi及云平台数据测试

现场节点设置好以后上电启动WiFi模块，WiFi模块接收处理器发送的AT+i指令，监测中心联网，上位机和下位机一起组成监控系统。WiFi模块作为上位机与下位机的桥梁首先得连接中继路由器，设置工作模式，对无线模块进行透传设置，这样WiFi模块就会在联网的情况下自动登录贝壳物联网站。

贝壳物联开源提供设备和传感器ID，用户可以通过域名和端口接入贝壳物联平台。在贝壳物联上，经过处理的数据以波动的曲线形式跳动，这样最大的优点就是当环境发生突然变化时，很容易被监测者发现。还可以查询历史数据，与即时数据进行对比分析。

4.2.1 光照传感器数据的测试

本次测试是在实验室测得的光照数据，遮挡光照传感器会发生数据变化，传感器的精度为±1 lux。光照数据图如图5所示。

图5 光照数据图

4.2.2 温度传感器数据测试

测量0～50℃温度传感器，供电电压为DC3.3～5.5V，误差温度为±2℃。为确保实验的准确性，反复测量5次同一环境温度，与标准的温度计进行对比分析，虽然有一些误差，但是统计误差不超过1℃。本次测试充分证明了此次温度测试的数据有效，可以帮助监测者实时监测环境温度，所采取的数据达到实验要求。

4.2.3 湿度传感器数据测试

为了确保测试的精确性，本设计在相同环境下取样5次，通过与标准的湿度计进行对比，可以清晰地观察到误差。通过改变环境参数，数据也会随之不断变化，测量数据见图6所示。通过与标准的湿度计对比测得数据，见表1所示。

表1 实验数据对比

图6 测量数据

4.2.4 手机控制测试

通过手机端可以远程控制系统的开关，经过测试系统手机可以远程控制。在手机APP上添加开关，通过设置指令控制系统开关，这样就可以达到分别控制的目的。

5 结论

本文设计了基于单片机的大棚温湿度实时控制系统，实验测试结果显示，该系统具有制作成本低、系统功能稳定、便于远程实时控制等特点，有较好的应用前景和推广价值。