裴勇+袁家厚+刘洋+马艳+黄妍

摘要：针对目前我国设施农业中环境因素检测劳动强度大、效率低、准确性差、成本高等问题，研制一种以单片机为控制核心的农情测控仪。介绍该测控仪的工作原理与软、硬件设计，检验其主要技术指标及系统运行可靠性。经验证，该测控仪结构简单，运行可靠，能满足测控精度要求，性价比较高，适宜在农业设施中应用推广。

关键词：农业设施；农情测控仪；测控系统；模块化结构；设计

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0021-03

我国在发展农村经济、提高农民收入的工作中，提出要增强科技创新能力，大力推广设施农业技术。农情测控系统是设施农业的重要组成部分，可广泛用于温室大棚及畜禽养殖舍等各类农业设施中。为适应科技含量日益提高的温室种植业、舍饲畜牧业对温湿度测控性能的要求，鞍山市粮食科学研究所研制出MCS-AⅡ型全自动农情测控仪。该仪器能实时检测空气温湿度、CO2、光照度等，并能自动控制卷帘机等机构。

1 测控仪总体设计

1.1 硬件设计

系统硬件结构框图如图 1 所示。测控系统的所有元件均采用耐-40 ℃低温的元件，各种传感器模块均采用数字模块，省却了信号调理及滤波电路，使得系统结构简单；采用1-Wirez总线或串行传输，简化了布线安装。

单片机采用STC12C5A60S2-35I，温度传感器采用DS18B20，湿度传感器采用DHT21，CO2传感器采用MG811，数字光强度模块采用BH1750FVI（I2C接口），实时时钟采用DS1302，键盘输入/LED显示芯片采用HD7279A，输出部分经过光电耦合后控制执行机构。

1.1.1 单片机系统 STC12C5A60S2-35I性能特点为：最高时钟频率35 MHz，60 K flash存储器，1 280 B RAM，16 K E2PROM，具备AD转换器，4 kV ESD保护，在系统可编程。这些特点决定了其几乎不需要额外扩展接口电路。本系统采用11.059 2 MHz的系统时钟，自定义四线传输结构，这样可充分发挥资源优势，降低成本。

1.1.2 传感器模块

1） 温度传感器采用美国Dallas公司的1-wire数字测温元件DS18B20。该元件接线少，只用3根引线就可以挂接十几个测温元件，这就要求对这十几个测温元件进行准确完整无误的管理，分辨出每个测温点的位置。检测装置在保证功能可靠的前提下，应尽量利用单片机本身的资源，以软代硬，还要防止测量现场的各种干扰，在数据传输错误时还要及时地发现并予以更正。

2） 湿度传感器采用AM2301（DHT21），数字输出，无需额外部件，超低能耗，超长的信号传输距离（20 m），可完全互换。DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此该产品具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。采用单线制串行接口，使得系统集成简易快捷。超小的体积、极低的功耗和20 m以上的信号传输距离，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

3） CO2传感器采用MG811模块，主要由LM393、二氧化碳气体感应探头构成，工作电压为直流6 V。其特点是：①具有信号输出指示；②双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；③TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）；④模拟量输出，0～2 V/0～4 V电压输出可选，默认发0～2 V；⑤具有较长的使用寿命和可靠的稳定性；⑥具有快速的响应恢复特性；⑦对二氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，测试浓度范围为0～10 000 mg/L。

4） 光强度传感器采用不区分光源数字型环境光强度传感器BH1750FVI，其为日本RHOM株式会社近些年推出的一种两线式串行总线接口的集成电路。其采用16位高精度数字进行光强度检测，可支持较大范围的光照强度变化；采用I2C总线接口，可避免A/D转换系统带来的误差。

1.1.3 键盘输入与显示 系统采用单片LED数码管显示和键盘接口芯片HD7279A（DIP28塑封）。HD7279A是一片真正的单片LED数码管显示和键盘接口芯片，无需外围电路，只需外接少量的电阻等，即可构成完善的显示、键盘接口电路。其与CPU的接口采用SPI串行接口方式，使用方便。其主要特点为：无需外围电路，直接驱动数码管；多种译码方式，各显示位可分别控制译码方式；段寻址功能，可以单独控制显示段，便于使用独立LED具有左移、右移、闪烁、消隐等多种显示控制指令；键盘部分具有去抖动功能，按键有效指示输出。

1.1.4 控制输出 系统需要控制驱动的包括滴灌与喷灌电磁阀、排风扇电机与卷帘电机、报警输出等。为了防止电磁干扰，保证系统运行可靠，均采用独立电源供电，通过光电耦合进行控制。

1.1.5 主电路图 系统主电。JI1—JI4为4路传感器输入端；单片机P1口具有A/D转换功能；每路可以在50 m范围内挂接十几个DS18B20，20 m长度内接1个数字湿度传感器AM2301和1个CO2传感器MG811或光强传感器BH1750FVI（传感器侧加入电压调节电路）；实时时钟DS1302采用电池作为备用电源；键盘显示电路（插口为P6）单独供电，以减小对主电路板的电源干扰；JR1—JR4为4路控制信号输出端，通过输出板控制执行机构。

1.2 软件设计

系统的应用程序在结构上与硬件配置相适应，采用模块化结构。主程序调用具有不同硬件配置的子程序，协调组成完整的系统测控程序。软件主要由主程序、数据巡回采集及处理子程序、键盘/显示子程序、输出控制程序等组成。

1.2.1 主程序 由于设施农业对实时性要求相对不高，故主程序采用查询方式执行。1） 将各给定值及上、下限等参数由键盘或指定的flash memory单元传送到指定的片内RAM单元。2） 初始化。主要是定义定时计数器。3） 巡回检测、显示并调节各量。如果有越限，则声光报警。

1.2.2 控制方法 农业设施控制对精度要求不高，因此采用定时与开关量控制相结合的方法。实践证明，该方法简单，能满足一般农业设施中的控制要求。

1.2.3 软件设计 软件主要由主程序、初始化程序、DS18B20单字节读写子程序、序列号匹配子程序、A/D转换子程序、SPI与I2C接口子程序、故障代码处理子程序等构成，能完成单项单点检测、单线缆检测、巡回采集等。

2 主要技术指标及系统运行可靠性

本测控仪已投入农业设施中进行实际应用，提高了自动化程度，减轻了劳动强度。其检测精度可达到：温度±0.5 ℃，湿度±3%RH，CO2气体±1%。

本系统一般运行于非工业环境的农业设施中，但运行实践表明，干扰仍然存在。因此，必须采取有效的抗干扰措施。在硬件方面，将测量与控制电路电源分开，采用光电耦合器隔离。在软件方面，采用程序陷阱技术、数字滤波技术、程序冗余技术和看门狗技术（watchdog），在程序“跑飞”时能有效复位。

3 结语

MCS-A型农情测控仪的硬、软件都采取了模块化结构，简单可靠，具有较高的性价比，可广泛应用于农户温室大棚、菇房菌室、林业、花卉栽培、作物育种、养殖场、气调保鲜库等行业。今后，可以增加采集土壤湿度和O2，NH3等气体浓度的功能模块，以有线/无线传输方式通过上位机进行管理，获得更广的应用范围。

摘要：针对目前我国设施农业中环境因素检测劳动强度大、效率低、准确性差、成本高等问题，研制一种以单片机为控制核心的农情测控仪。介绍该测控仪的工作原理与软、硬件设计，检验其主要技术指标及系统运行可靠性。经验证，该测控仪结构简单，运行可靠，能满足测控精度要求，性价比较高，适宜在农业设施中应用推广。

关键词：农业设施；农情测控仪；测控系统；模块化结构；设计

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0021-03

我国在发展农村经济、提高农民收入的工作中，提出要增强科技创新能力，大力推广设施农业技术。农情测控系统是设施农业的重要组成部分，可广泛用于温室大棚及畜禽养殖舍等各类农业设施中。为适应科技含量日益提高的温室种植业、舍饲畜牧业对温湿度测控性能的要求，鞍山市粮食科学研究所研制出MCS-AⅡ型全自动农情测控仪。该仪器能实时检测空气温湿度、CO2、光照度等，并能自动控制卷帘机等机构。

1 测控仪总体设计

1.1 硬件设计

系统硬件结构框图如图 1 所示。测控系统的所有元件均采用耐-40 ℃低温的元件，各种传感器模块均采用数字模块，省却了信号调理及滤波电路，使得系统结构简单；采用1-Wirez总线或串行传输，简化了布线安装。

单片机采用STC12C5A60S2-35I，温度传感器采用DS18B20，湿度传感器采用DHT21，CO2传感器采用MG811，数字光强度模块采用BH1750FVI（I2C接口），实时时钟采用DS1302，键盘输入/LED显示芯片采用HD7279A，输出部分经过光电耦合后控制执行机构。

1.1.1 单片机系统 STC12C5A60S2-35I性能特点为：最高时钟频率35 MHz，60 K flash存储器，1 280 B RAM，16 K E2PROM，具备AD转换器，4 kV ESD保护，在系统可编程。这些特点决定了其几乎不需要额外扩展接口电路。本系统采用11.059 2 MHz的系统时钟，自定义四线传输结构，这样可充分发挥资源优势，降低成本。

1.1.2 传感器模块

1） 温度传感器采用美国Dallas公司的1-wire数字测温元件DS18B20。该元件接线少，只用3根引线就可以挂接十几个测温元件，这就要求对这十几个测温元件进行准确完整无误的管理，分辨出每个测温点的位置。检测装置在保证功能可靠的前提下，应尽量利用单片机本身的资源，以软代硬，还要防止测量现场的各种干扰，在数据传输错误时还要及时地发现并予以更正。

2） 湿度传感器采用AM2301（DHT21），数字输出，无需额外部件，超低能耗，超长的信号传输距离（20 m），可完全互换。DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此该产品具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。采用单线制串行接口，使得系统集成简易快捷。超小的体积、极低的功耗和20 m以上的信号传输距离，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

3） CO2传感器采用MG811模块，主要由LM393、二氧化碳气体感应探头构成，工作电压为直流6 V。其特点是：①具有信号输出指示；②双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；③TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）；④模拟量输出，0～2 V/0～4 V电压输出可选，默认发0～2 V；⑤具有较长的使用寿命和可靠的稳定性；⑥具有快速的响应恢复特性；⑦对二氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，测试浓度范围为0～10 000 mg/L。

4） 光强度传感器采用不区分光源数字型环境光强度传感器BH1750FVI，其为日本RHOM株式会社近些年推出的一种两线式串行总线接口的集成电路。其采用16位高精度数字进行光强度检测，可支持较大范围的光照强度变化；采用I2C总线接口，可避免A/D转换系统带来的误差。

1.1.3 键盘输入与显示 系统采用单片LED数码管显示和键盘接口芯片HD7279A（DIP28塑封）。HD7279A是一片真正的单片LED数码管显示和键盘接口芯片，无需外围电路，只需外接少量的电阻等，即可构成完善的显示、键盘接口电路。其与CPU的接口采用SPI串行接口方式，使用方便。其主要特点为：无需外围电路，直接驱动数码管；多种译码方式，各显示位可分别控制译码方式；段寻址功能，可以单独控制显示段，便于使用独立LED具有左移、右移、闪烁、消隐等多种显示控制指令；键盘部分具有去抖动功能，按键有效指示输出。

1.1.4 控制输出 系统需要控制驱动的包括滴灌与喷灌电磁阀、排风扇电机与卷帘电机、报警输出等。为了防止电磁干扰，保证系统运行可靠，均采用独立电源供电，通过光电耦合进行控制。

1.1.5 主电路图 系统主电。JI1—JI4为4路传感器输入端；单片机P1口具有A/D转换功能；每路可以在50 m范围内挂接十几个DS18B20，20 m长度内接1个数字湿度传感器AM2301和1个CO2传感器MG811或光强传感器BH1750FVI（传感器侧加入电压调节电路）；实时时钟DS1302采用电池作为备用电源；键盘显示电路（插口为P6）单独供电，以减小对主电路板的电源干扰；JR1—JR4为4路控制信号输出端，通过输出板控制执行机构。

1.2 软件设计

系统的应用程序在结构上与硬件配置相适应，采用模块化结构。主程序调用具有不同硬件配置的子程序，协调组成完整的系统测控程序。软件主要由主程序、数据巡回采集及处理子程序、键盘/显示子程序、输出控制程序等组成。

1.2.1 主程序 由于设施农业对实时性要求相对不高，故主程序采用查询方式执行。1） 将各给定值及上、下限等参数由键盘或指定的flash memory单元传送到指定的片内RAM单元。2） 初始化。主要是定义定时计数器。3） 巡回检测、显示并调节各量。如果有越限，则声光报警。

1.2.2 控制方法 农业设施控制对精度要求不高，因此采用定时与开关量控制相结合的方法。实践证明，该方法简单，能满足一般农业设施中的控制要求。

1.2.3 软件设计 软件主要由主程序、初始化程序、DS18B20单字节读写子程序、序列号匹配子程序、A/D转换子程序、SPI与I2C接口子程序、故障代码处理子程序等构成，能完成单项单点检测、单线缆检测、巡回采集等。

2 主要技术指标及系统运行可靠性

本测控仪已投入农业设施中进行实际应用，提高了自动化程度，减轻了劳动强度。其检测精度可达到：温度±0.5 ℃，湿度±3%RH，CO2气体±1%。

本系统一般运行于非工业环境的农业设施中，但运行实践表明，干扰仍然存在。因此，必须采取有效的抗干扰措施。在硬件方面，将测量与控制电路电源分开，采用光电耦合器隔离。在软件方面，采用程序陷阱技术、数字滤波技术、程序冗余技术和看门狗技术（watchdog），在程序“跑飞”时能有效复位。

3 结语

MCS-A型农情测控仪的硬、软件都采取了模块化结构，简单可靠，具有较高的性价比，可广泛应用于农户温室大棚、菇房菌室、林业、花卉栽培、作物育种、养殖场、气调保鲜库等行业。今后，可以增加采集土壤湿度和O2，NH3等气体浓度的功能模块，以有线/无线传输方式通过上位机进行管理，获得更广的应用范围。

摘要：针对目前我国设施农业中环境因素检测劳动强度大、效率低、准确性差、成本高等问题，研制一种以单片机为控制核心的农情测控仪。介绍该测控仪的工作原理与软、硬件设计，检验其主要技术指标及系统运行可靠性。经验证，该测控仪结构简单，运行可靠，能满足测控精度要求，性价比较高，适宜在农业设施中应用推广。

关键词：农业设施；农情测控仪；测控系统；模块化结构；设计

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0021-03

我国在发展农村经济、提高农民收入的工作中，提出要增强科技创新能力，大力推广设施农业技术。农情测控系统是设施农业的重要组成部分，可广泛用于温室大棚及畜禽养殖舍等各类农业设施中。为适应科技含量日益提高的温室种植业、舍饲畜牧业对温湿度测控性能的要求，鞍山市粮食科学研究所研制出MCS-AⅡ型全自动农情测控仪。该仪器能实时检测空气温湿度、CO2、光照度等，并能自动控制卷帘机等机构。

1 测控仪总体设计

1.1 硬件设计

系统硬件结构框图如图 1 所示。测控系统的所有元件均采用耐-40 ℃低温的元件，各种传感器模块均采用数字模块，省却了信号调理及滤波电路，使得系统结构简单；采用1-Wirez总线或串行传输，简化了布线安装。

单片机采用STC12C5A60S2-35I，温度传感器采用DS18B20，湿度传感器采用DHT21，CO2传感器采用MG811，数字光强度模块采用BH1750FVI（I2C接口），实时时钟采用DS1302，键盘输入/LED显示芯片采用HD7279A，输出部分经过光电耦合后控制执行机构。

1.1.1 单片机系统 STC12C5A60S2-35I性能特点为：最高时钟频率35 MHz，60 K flash存储器，1 280 B RAM，16 K E2PROM，具备AD转换器，4 kV ESD保护，在系统可编程。这些特点决定了其几乎不需要额外扩展接口电路。本系统采用11.059 2 MHz的系统时钟，自定义四线传输结构，这样可充分发挥资源优势，降低成本。

1.1.2 传感器模块

1） 温度传感器采用美国Dallas公司的1-wire数字测温元件DS18B20。该元件接线少，只用3根引线就可以挂接十几个测温元件，这就要求对这十几个测温元件进行准确完整无误的管理，分辨出每个测温点的位置。检测装置在保证功能可靠的前提下，应尽量利用单片机本身的资源，以软代硬，还要防止测量现场的各种干扰，在数据传输错误时还要及时地发现并予以更正。

2） 湿度传感器采用AM2301（DHT21），数字输出，无需额外部件，超低能耗，超长的信号传输距离（20 m），可完全互换。DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此该产品具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。采用单线制串行接口，使得系统集成简易快捷。超小的体积、极低的功耗和20 m以上的信号传输距离，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

3） CO2传感器采用MG811模块，主要由LM393、二氧化碳气体感应探头构成，工作电压为直流6 V。其特点是：①具有信号输出指示；②双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；③TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）；④模拟量输出，0～2 V/0～4 V电压输出可选，默认发0～2 V；⑤具有较长的使用寿命和可靠的稳定性；⑥具有快速的响应恢复特性；⑦对二氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，测试浓度范围为0～10 000 mg/L。

4） 光强度传感器采用不区分光源数字型环境光强度传感器BH1750FVI，其为日本RHOM株式会社近些年推出的一种两线式串行总线接口的集成电路。其采用16位高精度数字进行光强度检测，可支持较大范围的光照强度变化；采用I2C总线接口，可避免A/D转换系统带来的误差。

1.1.3 键盘输入与显示 系统采用单片LED数码管显示和键盘接口芯片HD7279A（DIP28塑封）。HD7279A是一片真正的单片LED数码管显示和键盘接口芯片，无需外围电路，只需外接少量的电阻等，即可构成完善的显示、键盘接口电路。其与CPU的接口采用SPI串行接口方式，使用方便。其主要特点为：无需外围电路，直接驱动数码管；多种译码方式，各显示位可分别控制译码方式；段寻址功能，可以单独控制显示段，便于使用独立LED具有左移、右移、闪烁、消隐等多种显示控制指令；键盘部分具有去抖动功能，按键有效指示输出。

1.1.4 控制输出 系统需要控制驱动的包括滴灌与喷灌电磁阀、排风扇电机与卷帘电机、报警输出等。为了防止电磁干扰，保证系统运行可靠，均采用独立电源供电，通过光电耦合进行控制。

1.1.5 主电路图 系统主电。JI1—JI4为4路传感器输入端；单片机P1口具有A/D转换功能；每路可以在50 m范围内挂接十几个DS18B20，20 m长度内接1个数字湿度传感器AM2301和1个CO2传感器MG811或光强传感器BH1750FVI（传感器侧加入电压调节电路）；实时时钟DS1302采用电池作为备用电源；键盘显示电路（插口为P6）单独供电，以减小对主电路板的电源干扰；JR1—JR4为4路控制信号输出端，通过输出板控制执行机构。

1.2 软件设计

系统的应用程序在结构上与硬件配置相适应，采用模块化结构。主程序调用具有不同硬件配置的子程序，协调组成完整的系统测控程序。软件主要由主程序、数据巡回采集及处理子程序、键盘/显示子程序、输出控制程序等组成。

1.2.1 主程序 由于设施农业对实时性要求相对不高，故主程序采用查询方式执行。1） 将各给定值及上、下限等参数由键盘或指定的flash memory单元传送到指定的片内RAM单元。2） 初始化。主要是定义定时计数器。3） 巡回检测、显示并调节各量。如果有越限，则声光报警。

1.2.2 控制方法 农业设施控制对精度要求不高，因此采用定时与开关量控制相结合的方法。实践证明，该方法简单，能满足一般农业设施中的控制要求。

1.2.3 软件设计 软件主要由主程序、初始化程序、DS18B20单字节读写子程序、序列号匹配子程序、A/D转换子程序、SPI与I2C接口子程序、故障代码处理子程序等构成，能完成单项单点检测、单线缆检测、巡回采集等。

2 主要技术指标及系统运行可靠性

本测控仪已投入农业设施中进行实际应用，提高了自动化程度，减轻了劳动强度。其检测精度可达到：温度±0.5 ℃，湿度±3%RH，CO2气体±1%。

本系统一般运行于非工业环境的农业设施中，但运行实践表明，干扰仍然存在。因此，必须采取有效的抗干扰措施。在硬件方面，将测量与控制电路电源分开，采用光电耦合器隔离。在软件方面，采用程序陷阱技术、数字滤波技术、程序冗余技术和看门狗技术（watchdog），在程序“跑飞”时能有效复位。

3 结语

MCS-A型农情测控仪的硬、软件都采取了模块化结构，简单可靠，具有较高的性价比，可广泛应用于农户温室大棚、菇房菌室、林业、花卉栽培、作物育种、养殖场、气调保鲜库等行业。今后，可以增加采集土壤湿度和O2，NH3等气体浓度的功能模块，以有线/无线传输方式通过上位机进行管理，获得更广的应用范围。