趙 旭 東

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

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【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

植物扦插環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 旭 東

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

設(shè)計(jì)了一種促進(jìn)植物扦插生根的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。硬件方面，采用溫度傳感器、光敏傳感器及濕度傳感器獲得植物生長(zhǎng)環(huán)境的相關(guān)信息，傳感器采集到的信息(模擬信號(hào))經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行分析處理；軟件方面，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同地域、不同時(shí)節(jié)自由選擇最合適的溫度、濕度以及光照進(jìn)行人為設(shè)置，從而使得植物生長(zhǎng)條件在一定的范圍內(nèi)可控，達(dá)到對(duì)環(huán)境自動(dòng)調(diào)控的目的。

扦插環(huán)境；傳感器；溫度；光照強(qiáng)度；土壤濕度

扦插是植物繁殖最常用的方法之一[1]，過(guò)去農(nóng)戶往往通過(guò)播種扦插來(lái)獲取新的農(nóng)作物植株，這種生產(chǎn)模式雖然可行，但卻容易受到如溫度、光照、濕度等自然因素的影響，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。而如今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟,計(jì)算機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。在一些植物繁殖過(guò)程中，利用人工調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)環(huán)境，有效地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，減少了生產(chǎn)成本[2]。因此，對(duì)于這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中具有重要意義。

早在20世紀(jì)70年代初期，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始把計(jì)算機(jī)運(yùn)用到生態(tài)環(huán)境控制方面。美國(guó)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的起源地，同時(shí)也是最早將環(huán)境系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的國(guó)家之一，實(shí)現(xiàn)了人工智能化調(diào)控植物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、濕度及光照強(qiáng)度等。以色列利用環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)有效地在沙漠之上種植蔬菜及其他經(jīng)濟(jì)作物。我國(guó)將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)始于20世紀(jì)70年代末期，到20世紀(jì)80年代開(kāi)始應(yīng)用于溫室控制與管理方面，并在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了廣泛的推廣，在廣大城鎮(zhèn)及農(nóng)村的大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普及。

通過(guò)對(duì)植物環(huán)境中土壤濕度、溫度等環(huán)境因素進(jìn)行深入的分析和研究，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)作為控制核心，控制溫度、光敏、濕度傳感器，配合其他的外圍電子元件，構(gòu)成一個(gè)具有可操作性的調(diào)控系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行人為控制，最終達(dá)到調(diào)控植物生長(zhǎng)環(huán)境的目的。溫度、光照強(qiáng)度傳感器所采集的數(shù)據(jù)，及時(shí)通過(guò)顯示屏反映給工作者，讓人們可即時(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)內(nèi)部環(huán)境中的溫度、光照強(qiáng)度加以控制，從而降低人工遮陽(yáng)、補(bǔ)光，或人工增溫、降溫等冗余生產(chǎn)成本。

1 總體設(shè)計(jì)方案

采用單片機(jī)進(jìn)行對(duì)溫度、光照強(qiáng)度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制與調(diào)控。通過(guò)各種傳感器采集溫度、光照強(qiáng)度和濕度數(shù)據(jù)，將采集到的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行分析處理，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制指令在顯示屏上實(shí)時(shí)向工作者顯示溫度、濕度數(shù)據(jù)。工作者可采用按鍵方式對(duì)控制閾的值進(jìn)行人為設(shè)定[3]。單片機(jī)可對(duì)當(dāng)前采集的土壤濕度信號(hào)進(jìn)行判斷，是否屬于設(shè)定閾值之內(nèi)。反之，單片機(jī)控制繼電器動(dòng)作并運(yùn)行外部水泵對(duì)土壤進(jìn)行加濕，當(dāng)濕度達(dá)到最大閾值時(shí)停止繼電器動(dòng)作。以此達(dá)到智能化控制植物扦插環(huán)境恒定的目的，保證了植物的成活率。系統(tǒng)硬件部分由單片機(jī)、溫度采集電路、光照強(qiáng)度采集電路、土壤濕度檢測(cè)電路、按鍵電路、顯示模塊及驅(qū)動(dòng)電路組成，系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

植物扦插環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度;(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度；(3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示當(dāng)前環(huán)境的土壤濕度；(4)可通過(guò)按鍵設(shè)置濕度上下閾值；(5)調(diào)控土壤濕度在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 核心控制器

單片機(jī)是一種微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。AT89C52是一款具有功耗低、體積小、低電壓、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)的高性能8位單片機(jī)[4]， 其核心作用是用來(lái)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，然后對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送相應(yīng)的控制指令。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 AT89C52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)

溫度采集電路模塊主要采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20測(cè)量溫度時(shí)采用特有的溫度測(cè)量技術(shù)，其具體工作原理為：DS18B20對(duì)低溫度系數(shù)的振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)的振蕩器來(lái)決定[5]。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中，以16進(jìn)制的補(bǔ)碼形式讀出。在溫度采集電路設(shè)計(jì)中，DS18B20溫度傳感器的引腳DQ與單片機(jī)P1.1連接，電路如圖3所示。

圖3 溫度采集電路電路圖

2.3 光照采集電路設(shè)計(jì)

光照是植物生長(zhǎng)的重要因素，因而進(jìn)行光照采集時(shí)電路采用了BH1750FVI光照傳感器。該傳感器工作原理是當(dāng)外部光線照射在光敏二極管時(shí)，改變芯片內(nèi)部電流，通過(guò)由AMP集成運(yùn)算放大器將PD電流轉(zhuǎn)換為PD電壓，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片再將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，邏輯+電路把ADC轉(zhuǎn)換過(guò)后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)SCL、SDA口分別送給單片機(jī)的P1.2，P1.3端口，經(jīng)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。BH1750FVI傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 BH1750FVI光照傳感器

圖4中PD為光敏二極管，AMP為集成運(yùn)算放大器，ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取16位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。邏輯+ I2C界面提供光強(qiáng)度計(jì)算和I2C總線接口。OSC為內(nèi)部振蕩器時(shí)鐘，作為內(nèi)部邏輯時(shí)鐘。BH1750FVI 光照強(qiáng)度傳感器可適用于兩線式串行總線接口。

光照傳感器為數(shù)字式，可直接與單片機(jī)的I/O口連接傳遞信號(hào)，光照采集電路如圖5所示。

圖5 光照采集電路圖

2.4 土壤濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

土壤濕度檢測(cè)電路的核心部件采用FY-H2濕度傳感器，F(xiàn)Y-H2土壤濕度傳感器利用電磁脈沖原理測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)，從而可以得到土壤真實(shí)水分含量，具有測(cè)量快速準(zhǔn)確、精度高、不受土壤中化肥和金屬離子影響等特點(diǎn)。 FY-H2土壤濕度傳感器探頭采集土壤濕度模擬量，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)DATA端口傳輸至AD模塊的GND(芯片參考0電位)，SCK時(shí)鐘脈沖傳輸給AD模塊CH0(模擬輸入通道0)。ADC0832芯片將接收到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)D0端口傳輸給單片機(jī)的P1.4端口，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后進(jìn)行分析處理，并在顯示屏上顯示。檢測(cè)電路如圖6所示。

圖6 檢測(cè)電路

2.5 驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)工作的電壓一般為5 V，甚至更低，并且驅(qū)動(dòng)電流在4 mA級(jí)以下，無(wú)法利用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。設(shè)計(jì)中采用繼電器驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載(水泵)工作。其具體工作原理為：當(dāng)單片機(jī)的P1.0端口發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，繼電器通電工作，促使水泵運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)電路

2.6 輔助電路

為了保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)中分別使用了顯示模塊、按鍵電路、驅(qū)動(dòng)電路等輔助電路，具體見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6-7]，這里不再一一贅述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能的擴(kuò)展，軟件部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。溫度、濕度及光照傳感器將當(dāng)前數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制值通過(guò)接口傳送至單片機(jī)，單片機(jī)將采樣芯片送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償以獲得精確實(shí)際采樣值，然后根據(jù)需要將其送到液晶顯示器顯示。

系統(tǒng)在接通電源后，啟動(dòng)DS18B20溫度傳感器、濕度傳感器以及液晶顯示屏進(jìn)行初始化。讀取存在濕度上下限報(bào)警值。進(jìn)入主循環(huán)程序首先對(duì)按鍵是否觸發(fā)進(jìn)行判斷，如有按鍵觸發(fā)則進(jìn)入設(shè)置上/下限報(bào)警值界面設(shè)置相應(yīng)的上/下限報(bào)警值；而后訪問(wèn)濕度采樣芯片獲取采樣值經(jīng)補(bǔ)償處理轉(zhuǎn)換成精確數(shù)據(jù)。接著判斷當(dāng)前濕度值是否超限，若濕度超限，則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，直到環(huán)境的濕度下降到報(bào)警值以下則停止報(bào)警。反之，則繼電器閉合，驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行加水。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

4 結(jié)語(yǔ)

采用人工智能調(diào)控環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度來(lái)模擬最適合植物扦插環(huán)境的方法，設(shè)計(jì)了一款便攜式植物扦插環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)單片機(jī)控制外部電路工作實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物扦插環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。經(jīng)調(diào)試，單片機(jī)能及時(shí)判斷出當(dāng)前土壤濕度是否處于最適合的濕度閾值，當(dāng)采集的濕度值小于最小閾值，能借助于水泵運(yùn)轉(zhuǎn)為土壤加濕，反之則停止水泵工作。與傳統(tǒng)溫棚溫度控制系統(tǒng)相比，除了增加了加濕模塊使系統(tǒng)能夠自動(dòng)且穩(wěn)定地調(diào)控土壤濕度外，并且增加了光照檢測(cè)和濕度檢測(cè)模塊，能實(shí)時(shí)通過(guò)顯示屏向管理者反映當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)，管理者可根據(jù)當(dāng)前情況，及時(shí)采取增減光照、人工控制溫度等措施。

[1] 鄭健，鄭勇奇，苑林，等.金露梅扦插繁殖技術(shù)研究[J].林業(yè)科學(xué)研究,2007,(5):36-38.

[2] 吳立新.實(shí)用電子技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.45-55.

[3] 張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.41-48.

[4] 劉攀,俞杰.基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,(12):103-106.

[5] 趙娜,趙剛.基于51單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,(1):146-148.

[6] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].第2版.北京:清華大學(xué)出版社，1999.73-122.

[7] 戴佳,戴衛(wèi)恒.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.11-20.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】

Design of Real-time Monitoring System for Plant Cutting Environment

ZHAO Xu-dong

(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University,Weinan 714099, China)

A system for monitoring plant rooting has been designed. For obtain information about plant growth environment, temperature sensor and light sensor and humidity sensor have been used as hardware. Information, analog signals collected by the sensors, will be converted to the digital signals by an A/D converter module to single-chip microcomputer for analyzing. C programming language has been used as software. To achieving the purpose of environmental automatic regulation, this system could choose the most appropriate temperature and humidity and artificial light according to different regions and different time, which makes the plant growth controlled within certain conditions.

cutting environment; sensor; temperature; light intensity; soil moisture

TP274

A

1009-5128(2016)19-0044-05

2016-07-03

陜西省科技廳項(xiàng)目：基于側(cè)邊拋磨型高雙折射光子晶體光纖的多參量氣體傳感研究(2016JQ6031)；渭南師范學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目：分布式電源接入對(duì)渭南配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響研究(16YKS014)

趙旭東(1982—)，男，山東菏澤人，渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院講師，工學(xué)碩士，主要從事新型功能材料與器件開(kāi)發(fā)研究。