楊思學(xué)+田穎

【摘要】為了解決監(jiān)控種苗場(chǎng)的溫度、濕度、光照等耗功耗時(shí)問(wèn)題，特設(shè)計(jì)一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的無(wú)線智能種苗場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，便于集中監(jiān)控苗場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況。該系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，將溫濕度、光照傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，每隔2 min通過(guò)GPRS上報(bào)到云端，同時(shí)在云端進(jìn)行設(shè)置監(jiān)控閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，能滿足對(duì)種苗場(chǎng)溫濕度控制的要求。

年來(lái)，我國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，但種植業(yè)的智能化研發(fā)與應(yīng)用還有待發(fā)展和推進(jìn)。當(dāng)種苗場(chǎng)進(jìn)行集中育苗，且幼苗對(duì)溫濕度及光照環(huán)境要求較高時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法一般是在溫室中懸掛溫度計(jì)和濕度計(jì)，并進(jìn)行人工讀數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，人工讀取溫濕度計(jì)的示數(shù)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下，且所得示數(shù)的精確度不高。

為解決上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種無(wú)線智能種苗場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，利用DHT12傳感器采集溫濕度，BH1750傳感器采集光照值，并實(shí)時(shí)上報(bào)至云端。用戶可以隨時(shí)通過(guò)手機(jī)或者電腦獲取溫室內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由雙串口的STC12C5A60S2單片機(jī)、DHT12溫濕度傳感器、BH1750光照傳感器、HMI串行人機(jī)接口和SIM800 GPRS模塊組成，單片機(jī)通過(guò)I/O端口讀取溫濕度傳感器和光照傳感器的數(shù)據(jù)，然后單片機(jī)的串口1實(shí)時(shí)向HMI人機(jī)接口發(fā)送刷新命令，在溫室內(nèi)的人員可以通過(guò)顯示屏讀取數(shù)據(jù)示數(shù)。每隔2 min單片機(jī)的串口2向GPRS模塊發(fā)送Socket通信指令，將讀取的數(shù)據(jù)上傳至云端。同時(shí)，在云端的數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可以設(shè)置相關(guān)閾值，如果達(dá)到了設(shè)定閾值要求，云端向SIM800模塊發(fā)送指令，SIM800通過(guò)GSM向用戶的預(yù)留手機(jī)發(fā)送短信報(bào)警。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

主控制模塊

STC12C5A60S2單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制單元，主要用來(lái)接收各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊互相工作。STC12C5A60S2是一種低電壓、高性能的國(guó)產(chǎn)8位單片機(jī)。它有32個(gè)準(zhǔn)雙向I/O端口，2個(gè)16位可編程定時(shí)器，2個(gè)全雙工串行通信口，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。此款單片機(jī)將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可以反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器有效地降低開發(fā)成本。因此，此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了這款單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制單元。

溫濕度傳感器

DHT12數(shù)字式溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器，為DHT11的升級(jí)產(chǎn)品。DHT12具有單總線和標(biāo)準(zhǔn)I2C兩種通訊，且單總線通訊方式完全兼容DHT11。相對(duì)濕度的量程范圍為20%～95%，在室內(nèi)相對(duì)濕度為40%～80%的環(huán)境下誤差最小。相對(duì)溫度的量程范圍為-20～60℃，在室內(nèi)溫度為-10～30℃環(huán)境下誤差最小。

串行HMI人機(jī)接口

智能串口屏通過(guò)上位機(jī)設(shè)計(jì)界面，可以設(shè)計(jì)彩色的背景、文本框、按鈕等。在上位機(jī)設(shè)計(jì)好后下載到顯示屏，上電后即可顯示，通過(guò)單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行指令操作即可改變文本框的值，當(dāng)按下按鈕時(shí)會(huì)通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。操作簡(jiǎn)單且交互效果好。

SIM800A模塊

SIM800A模塊的工作頻段為GSM 900/

1800 MHz。可以實(shí)現(xiàn)電話語(yǔ)音、SMS（短信、彩信）、GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能（支持透?jìng)髂Ｊ?、域名解析和IP模式），用單片機(jī)的串口向其發(fā)送指令，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外撥打電話、發(fā)送短信、通過(guò)GPRS連接因特網(wǎng)等功能。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分由負(fù)責(zé)采集傳感器的51單片機(jī)程序、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和處理的云端服務(wù)程序組成。單片機(jī)上電后，程序依次對(duì)各個(gè)傳感器和定時(shí)器進(jìn)行初始化，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，到達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至云端（圖1）。云端上位機(jī)運(yùn)行后對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和套接字進(jìn)行初始化，當(dāng)套接字接收到數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并分別插入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表內(nèi)（圖2）。

51單片機(jī)程序

在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)51單片機(jī)程序，通過(guò)I/O的控制可以讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口通信進(jìn)行HMI人機(jī)接口的數(shù)據(jù)輸出和GPRS的數(shù)據(jù)發(fā)送。

服務(wù)器接收程序

Socket處理程序 單片機(jī)向GPRS模塊發(fā)送指令，通過(guò)Socket連接服務(wù)器。每一組數(shù)據(jù)都包含一定的標(biāo)識(shí)符，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式為：溫度#濕度#光照。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器后，服務(wù)器上運(yùn)行的C#編寫的上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解析，并添加到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

網(wǎng)頁(yè)顯示程序 該系統(tǒng)通過(guò)PHP+HTML語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)，調(diào)用ECharts控件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線顯示。通過(guò)HTML實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的框架設(shè)計(jì)，用PHP從MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)賦值給網(wǎng)頁(yè)中的表格和ECharts圖表，便于幫助用戶直觀的記錄和了解數(shù)據(jù)參數(shù)，省去數(shù)據(jù)處理的麻煩，可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

實(shí)地測(cè)驗(yàn)

為了驗(yàn)證產(chǎn)品（圖3）的工作效果，于2016年7～9月在石家莊市某種苗場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。日光溫室內(nèi)的平均氣溫為28℃，最大濕度為70%，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致數(shù)據(jù)上傳失敗時(shí)，服務(wù)器端會(huì)主動(dòng)與單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行重新啟動(dòng)。整套設(shè)備懸掛于溫室中3個(gè)月，由于測(cè)量數(shù)據(jù)眾多，截取9月11日12：00～9月12日12：00系統(tǒng)測(cè)得的溫度和濕度的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4～5。分析可知，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，所得數(shù)據(jù)可以合理的反映溫室環(huán)境參數(shù)的變化情況。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)目前現(xiàn)有的種苗場(chǎng)的自動(dòng)化程度很低，大多數(shù)種苗場(chǎng)仍在使用原始的溫、濕度計(jì)，即使現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)也大多需要PC機(jī)進(jìn)行指標(biāo)讀取。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并且隨時(shí)通過(guò)手機(jī)的GPRS信號(hào)將數(shù)據(jù)上傳到云端。該產(chǎn)品成本低，效果好，對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)效益、種苗的自動(dòng)化發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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