單片機(jī)控制的智能溫室物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)
引言
植物，尤其是稀有植物、珍貴花卉和苗木的生長(zhǎng)都需要某種特定的溫度、濕度和光照度等條件，當(dāng)環(huán)境條件不能滿足上述要求時(shí)，它們便停止生長(zhǎng)，甚至腐爛、死亡。而要獲得植物生長(zhǎng)所需的最佳條件，不能單獨(dú)靜態(tài)地考慮某一因素，而應(yīng)從整體上綜合地研究環(huán)境參數(shù)控制問(wèn)題。
智能化溫室控制系統(tǒng)，即根據(jù)植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，通過(guò)傳感器技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)及單片機(jī)技術(shù)，自動(dòng)測(cè)控溫室的環(huán)境參數(shù)，其中包括溫度、濕度、光照度等，使植物在不適宜生長(zhǎng)發(fā)育的反季節(jié)中，獲得適宜的環(huán)境條件，達(dá)到早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。
主要硬件配備
(1)采用STC89C54RD+單片機(jī)
(2)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20
(3)采用電容式濕度傳感器HS1101
1 環(huán)境參數(shù)對(duì)植物的影響
影響植物生長(zhǎng)的因素主要有溫度、濕度、土壤水分、光照度和CO2濃度等，研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)植物的影響占40％，濕度占28％，它們對(duì)植物的生長(zhǎng)起主要作用。因此，本系統(tǒng)主要研究溫度和濕度對(duì)植物的影響和智能化溫室中對(duì)環(huán)境溫濕度的調(diào)控。
1.1 溫度對(duì)植物的影響
植物在生命周期中的一切生物化學(xué)作用都必須在一定的溫度條件下進(jìn)行，不管濕度、光照、CO2濃度等其他環(huán)境條件如何適宜，植物總將在溫度降低至某一低溫或 超過(guò)某一高溫時(shí)停止生長(zhǎng)發(fā)育。
溫度對(duì)植物的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是發(fā)育進(jìn)程的快慢，包括出葉速度(葉齡)及開(kāi)花日期等；二是生長(zhǎng)量增長(zhǎng)的快慢，包括 株高、葉面積、節(jié)間長(zhǎng)度、果實(shí)大小等。當(dāng)然，溫度的影響要和光照強(qiáng)度相結(jié)合進(jìn)行分析。當(dāng)光合產(chǎn)物大于呼吸消耗時(shí)，植物體內(nèi)有機(jī)質(zhì)才會(huì)有積累。當(dāng)溫度超過(guò)光 合最適溫度后，光合強(qiáng)度減弱而呼吸強(qiáng)度增強(qiáng)，將減少物質(zhì)的積累，影響植物的生長(zhǎng)。
1.2 濕度對(duì)植物的影響
濕度主要指溫室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度，其大小不僅影響著溫室內(nèi)植物蒸騰與地面蒸發(fā)量，而且直接影響著植物光合強(qiáng)度與病害情況。濕度與病原微生物的繁殖密切相關(guān)，因此濕度條件是引起植物病害的主要原因。
研究發(fā)現(xiàn)，植物的生長(zhǎng)和發(fā)育并不取決于某一時(shí)刻某個(gè)特定溫度與濕度，而主要取決于在一個(gè)時(shí)間段中的平均參數(shù)。這就要求控制系統(tǒng)不能設(shè)置一個(gè)固定的參數(shù)值，溫室中的溫度和濕度在最高和最低范圍內(nèi)進(jìn)行變動(dòng)，以求在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)達(dá)到理想的生長(zhǎng)環(huán)境。
控制系統(tǒng)根據(jù)室外的氣候，在使用最低能耗、最佳利用溫室中 現(xiàn)有的設(shè)備情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保持在適宜植物生長(zhǎng)的狀態(tài)。
2 溫室環(huán)境參數(shù)檢測(cè)
2.1 環(huán)境溫度檢測(cè)
控制系統(tǒng)中需要采集溫室中多點(diǎn)溫度或溫室群的溫度，本系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要外接電 路，僅用一根I/O數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)。每只DS18B20有獨(dú)立的序列號(hào)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)DS18B20傳感器掛接在一根數(shù)據(jù)線上分別檢測(cè)多點(diǎn)溫度。
單片機(jī)通過(guò)單線接口控制DS18B20溫度傳感器，檢測(cè)溫度先發(fā)啟動(dòng)命令，當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值以16位帶符 號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的高、低字節(jié)中；讀取數(shù)據(jù)時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.062 5 ℃／LSB形式表示。
暫存存儲(chǔ)器的高字節(jié)前5位的 “S”為符號(hào)位，當(dāng)S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，把測(cè)得的 溫度值與TH、TL做比較，若T>TH或T<TL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出告警命令。
由于DS18B20轉(zhuǎn)換后的代碼并不是實(shí)際的溫度值，所以要進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換。溫度高字節(jié)中的前5位用來(lái)保存溫度的正負(fù)(標(biāo)志為S的 bit11～bit15)，高字節(jié)(MS Byte)的后3位和低字節(jié)8位來(lái)保存溫度值(bit0～bit10)，其中低字節(jié)(LS Byte)的低4位保存溫度的小數(shù)位(bit0～bit3)。
由于要求采用0.062 5的精度，小數(shù)部分的值，可以用后四位代表的實(shí)際數(shù)值乘以0.062 5，得到真正的溫度值，本系統(tǒng)保留一位小數(shù)，即檢測(cè)的溫度精確到0.1度。
2.2 環(huán)境濕度檢測(cè)
本系統(tǒng)采用HS1101濕度傳感器采集環(huán)境的相對(duì)濕度，HS1101屬于電容式濕度傳感器，其工作機(jī)理是當(dāng)基于電極間的感濕材料吸附環(huán)境中的水份時(shí)，其介電常數(shù)隨之變化，等效電容與環(huán)境中水蒸汽的關(guān)系表示為：C=ε0×εμ×S/d
其中ε0是真空介電常數(shù)、εμ是感濕材料的介電常數(shù)、S是電容式傳感器有效面積、d為感濕膜厚度。
HS1101濕度傳感器的線性輸出電壓與濕度的關(guān)系：
Vo=Vcc(0.00474×%RH+0.2354)
在環(huán)境濕度檢測(cè)中，既可以利用HS1101濕度傳感器的等效電容與濕度的關(guān)系，組成振蕩器，將濕度與電容的關(guān)系轉(zhuǎn)化為濕度與頻率的關(guān)系，測(cè)量頻率達(dá)到檢測(cè) 濕度的目的；也可以利用HS1101濕度傳感器的輸出電壓與濕度的關(guān)系，測(cè)量電壓實(shí)現(xiàn)濕度檢測(cè)。本系統(tǒng)利用HS1101的等效電容與濕度的關(guān)系，測(cè)出頻率 實(shí)現(xiàn)濕度的測(cè)量。
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公安部備案號(hào) 11010502032413
