摘 要：本文设计了一种通用的温室智能控制系统，可以实时监测和控制温室的环境参数，实现对空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、烟雾和火焰等的精确控制。通过WiFi和蓝牙无线控制实现安全防盗功能。该系统包括四个子系统：温度控制系统、智能报警系统、数据采集系统和数据传输与处理系统。

关键词：物联网;智慧大棚;监控系统

随着农村人口的不断减少，耕地不足的问题尤为突出。一个新的、现代的智慧温室的出现是非常必要的。近年来，随着信息智能化和农业现代化的快速发展，我国温室种植取得了长足的进步，形成了科学管控温室环境的理念。但是，由于工厂化管理的缺失，温室智能控制技术在设施和工业自动化方面还存在不足，与欧洲发达国家相差甚远。因此，设计一套自动温室控制系统，能够实时监测和控制温室环境参数，大大提高作物产量就显得尤为重要，从而达到操作简单、维护方便、通用的效果。

1 系统设计

在自然环境中，植物的生长状态不易控制，容易受到自然灾害的影响，损害植物健康，减少农民收入。该系统基于自然环境，采用耐腐蚀、耐老化、可转换太阳光谱的塑料薄膜，结合物联网技术，采用计算机控制系统、高效传输系统和现代生物技术打造简单、高度自动化、智能化的温室智能控制系统。该系统可以避免植物在自然环境中可能遇到的灾害，如蝗灾、冰雹、霜冻等，检测和控制温度、湿度、光照强度、CO2浓度、O2浓度、土壤湿度等环境因素等，让植物的生长状态可以预测和控制植物的生长过程，解决了以往温室智能控制系统需要人工控制和检测的问题，可以独立检测问题，反馈错误，在某种程度上自动处理问题。

目前国内的温室大棚在控制和管理方面，国内温室自动化程度较低。近年来，国内也开展了一些温室自动控制的研究，但这些研究基本上都是单因素检测与控制，缺乏全面系统的研究。我们的改进方案是根据相关环境因素数据，结合作物生长发育规律，同时采用蓝牙和WiFi两种传输方式，将当前数据反馈给MCU，实现对温室的控制。同时，我们设置了自动报警装置，更新了灌溉系统和喷药系统，进一步实现了温室智能控制系统的自动化、智能化。

传统大棚无论任何控制都需要人工操作，耗费大量人力物力。现在大棚的数量越来越多，所以传统的大棚系统已经显示出很大的局限性。与上述相比，该系统充分利用了STC12C5A60S2单片机的软硬件资源，增加了各种测试电路，实现了真正的智能化。通用物聯网大棚系统主要由传感器终端、无线传感器网络、通信终端、控制终端、监控中心和应用软件平台组成，在手机上控制大棚的功能。但是，通用物联网大棚的价格太贵了，对于农村的普通家庭来说难以承受。同时，通用物联网大棚只适合种植几种生长条件相似的作物。与此相比，我们的系统更便宜，是适用于所有作物的通用智能控制温室系统。该系统投资少，可实现效益最大化。

本智能大棚系统主要包括三部分：主控端——STC12C5A60S2、环境监测部分——各种传感器和环境调节部分——温控箱。该系统可以通过WiFi和蓝牙无线控制，准确实现空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、烟雾和火焰以及安全防盗等功能。环境中的温度检测通过温度传感器DS18B20传输到单片机。当温度低于设定温度时，通过驱动电路升高温度，驱动继电器控制加热电路;当温度高于设定温度时，驱动风扇进行换气，从而降低温度。环境中的光强由光强传感器BH1750fvi实时监测，当光强超过预设值时，步进电机转动，带动遮光条减弱光强。空气中的湿度由DHT11检测，并由相应的模块进行调节。土壤水分传感器检测土壤中的水分含量，并驱动相应的电路控制水分含量。防盗系统可在有人非法进入禁区时发出警报，同时火焰传感器检测周围环境是否有火灾、烟雾等安全隐患。智能棚系统由传感器、单片机、显示器、键盘和控制器组成。在A/D转换模块中，主要使用集成MCU之外的A/D技术。

目前，国内外温室控制系统的研发大致可分为三类：分体式多单元温室系统、单片机控制温室单元系统、分布式单元系统。这次我们使用单片机来控制温室单元系统，该控制系统是随着单片机的发展而出现的。该技术在国内外得到广泛应用。它充分利用了单片机的优点，如数据传输方便、速度快、接口通道配置灵活、性能稳定可靠、价格低廉等，给农业科技带来了很多便利。同时，在具体的数据保存上，可以保存大量的数据，有利于分析，方便维护和使用，是现代温室监控系统的标准模型。

在实际应用中，本着操作说明简单、质优价廉、抗干扰、环境适应性强的原则，采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机。此单片机是鸿晶科技生产的单时钟/机器周期（1t）单片机，是新一代高速、低功耗、抗干扰能力强的8051单片机。它的指令码与传统8051完全兼容，但速度提高了8～12倍。同时其内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/s）。单片机实物如图1所示：

本设计使用的开发环境是IAR for 8051V8.10，用于编写程序。SmartRF Flash Program是用户的SmartRF Flash编程手册。闪存编程器可以用来编程闪存。对于IEEE802.15.4兼容设备（如CC2530）和蓝牙（R）低功耗设备（如CC2540），Flash编程器支持读写IEEE MAC地址。包嗅探器是一种软件工具，它帮助维护、故障检测和微调局域网和广域网。该工具观察网段的流量，学习掌握网络配置，解码协议，提交统计数据，自动识别许多常见的网络问题，并能生成管理报告。

本系统方案的设计思想是以CC2530协调器为核心控制器，接收多个节点采集的传感器数据，协调器对数据进行处理，控制电机执行相应动作，数据通过串口传输到PC机进行显示。

2 系统实现

2.1 CO传感器模块

该系统采用的CO传感器为MQ9气体传感器，所用的气敏材料为二氧化锡（SnO2），在清洁空气中具有低电导率。采用高低温循环检测法，在低温（1.5V加热）下检测一氧化碳。传感器的电导率随着空气中一氧化碳浓度的增加而增加，并且在高温（5.0V加热）下检测到甲烷和丙烷并对低温吸附的杂散气体加以净化。利用简单的电路，可以将电导率的变化转换为对应于气体浓度的输出信号。MQ9气体传感器对一氧化碳、甲烷和液化气具有较高的灵敏度，可检测多种一氧化碳气体和易燃性气体，它是一种适用于许多应用的低成本传感器。

2.2 温度检测模块

对于温室智能控制系统来说，温度检测非常重要。温度传感器用于采集周围环境的环境因素，读出温度数据，然后通过信号处理功能，让外设做出相应的响应，将温度数据无线传输至显示器，如图2所示。当温度高于预设温度时，MCU驱动继电器控制风扇转动以降低温度。当温度低于预设温度时，MCU驱动继电器控制集热器的加热。

2.3 湿度检测模块

湿度检测主要是空气湿度和土壤湿度的检测，通过控制继电器控制水泵电机进行相应的调整。温湿度传感器检测空气中的温度和湿度。当湿度低于我们设定的湿度值时，系统会自动执行命令并进行相应的灌溉操作。当湿度达到标准值时，我们的喷头会自动停止灌溉。当湿度过高时，根据主控制器的设定指令，做出相应指令，通过继电器控制加热管加热，提高我们的内部温度，达到正常的温湿度状态。当达到正常温度和湿度时，加热管将停止工作。

2.4 土壤温湿度检测模块

土壤温度传感器，不仅外形美观、结构紧凑，而且安装更换方便，具有耐腐蚀性好、性能稳定、响应速度快、功耗低、抗干扰能力强等特点。土壤湿度传感器利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中的传播频率，测量土壤的表观介电常数，从而获得土壤湿度。FDR具有简单、安全、快速准确、连续定点、自动化、量程广、校准量少等优点。

2.5 空气温湿度模块

主要利用的是DHT11湿度检测传感器，DHT11数字温/湿度传感器是一种含有已校正的数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器分别内置了一个电阻式湿度测量元件和负温度系数热敏电阻器温度测量元件，它可以与高性能的8位单片机相连接。由于该传感器采用的串行接口遵循单线制规范，从而使得系统的集成过程变得简单快捷。此外，该传感器还具备超小的体积、极低的功耗、超快的响应、较强的抗干扰能力等优点，其信号传输距离可以超过20米，所以是各类应用场合的合理选择。

2.6 自动灌溉模块

本系统可以通过在软件中设定默认的正常湿度的上下限值。当室内湿度低于设定的下限时，启动水泵，将水输送到地下管道，直接润湿土壤，达到灌溉的效果。同时检查湿度是否上升到上下限湿度的中间值以上，如果符合要求，停止输送;如果不满足要求，继续循环该过程，直到达到正常湿度范围。

2.7 光照控制模块

遮光控制功能：当光照度比较强时，将主控端通过室外气象站系统采集的高灵敏度光值与主控端设定的控制目标进行比较。如果低于主控端设定的目标值，外部拉帘会自动扩光、照明。如果高于主控端子设定的目标值，外帘会自动折叠。也可由控制器定时遮光，或由工作人员通过控制器操作。

补光控制功能：主控端通过室内数据采集器回传高灵敏度的光值，并设定目标值进行比较，如果高于设定的目标值，则自动关闭补光。如果低于设定值，则自动开启补光灯。

2.8 显示部分模块

大棚智能控制系統需要随时显示温度、光强、湿度等信息，以方便调试和管理。USART串口屏已成为棚内智能控制系统的最佳选择，该显示屏可以快速准确地处理，使农民、专业技术人员可以快速准确地分析和处理数据。

2.9 信号处理调节部分

为了体现系统的实用性，达到预期的效果，我们使用模型硬件来实现相应的功能。例如，继电器控制风机达到通风的效果，驱动加热管升温，驱动喷头工作，调节温室内的相关参数等;步进电机控制自动门控制温室内温度;光传感器检测室内光强，送入单片机控制荧光灯，达到补充光强的效果。采用ADC0809芯片实现A/D转换信号的采集，从而实现精确控制。采用蓝牙和WiFi进行无线传输，具有传输速度高、安全性高、保真度高、覆盖广等特点。蓝牙用于短距离传输，WiFi负责将数据传输到网络进行存储。

结语

该系统基于单片机技术的温室环境管理控制设计。首先，我们查阅了大量相关的温室大棚的设计，分析了解了它们的优缺点，并制订了相应的大棚管理系统方案。然后参考各种硬件的参数资料，通过编程实现各硬件的相应功能，实现了操作简单、通用型、维护方便、参数控制误差小、通用化的智能操作系统。其次，系统采用超高速高分辨率ADC芯片进行信号采集。本系统利用STC12C5A60S2灵活地控制信息存储、采集、处理、管理和运行一体化，形成完整的智能控制平台。最后，采用模块化编程的方法，将整个系统分成几个小系统，一个一个实现，再将它们组合起来，形成一个完整的智慧温室大棚控制系统，实现一个便捷的掌控系统。该开发平台结构紧凑、功能齐全且成本低。它使用USART串口屏幕显示实时数据，因此具有良好的一键通人机界面，非常适合未来的普及，也将为农民带来更加便捷的服务。本智慧温室大棚在任何季节、各种地理环境都将高度实现农作物的种植。这种设计还充分结合了以往的研究成果和创新成果，将科技应用于特定场合，具有较高的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]李敏.基于物联网的监控系统研究与应用[D].长江大学，2016.

[2]包子建.基于IoT的污染监测系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019（6）.

[3]包子建.基于IoT的道路照明系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019（10）.

[4]包子建.基于IoT的智能车系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2020（8）.

作者简介：包子建（1975— ），男，江苏南通人，硕士，高级工程师，主要从事物联网和信息服务方面的教学和研究。