单片机控制的智能温室物联网应用系统设计

  引言  

  植物,尤其是稀有植物、珍贵花卉和苗木的生长都需要某种特定的温度、湿度和光照度等条件,当环境条件不能满足上述要求时,它们便停止生长,甚至腐烂、死亡。而要获得植物生长所需的最佳条件,不能单独静态地考虑某一因素,而应从整体上综合地研究环境参数控制问题。

  智能化温室控制系统,即根据植物生长发育的需要,通过传感器技术、微型计算机及单片机技术,自动测控温室的环境参数,其中包括温度、湿度、光照度等,使植物在不适宜生长发育的反季节中,获得适宜的环境条件,达到早熟、优质、高产的目的。

  主要硬件配备

  (1)采用STC89C54RD+单片机

  (2)采用数字温度传感器DS18B20

  (3)采用电容式湿度传感器HS1101

  1 环境参数对植物的影响

  影响植物生长的因素主要有温度、湿度、土壤水分、光照度和CO2浓度等,研究发现温度对植物的影响占40%,湿度占28%,它们对植物的生长起主要作用。因此,本系统主要研究温度和湿度对植物的影响和智能化温室中对环境温湿度的调控。

  1.1 温度对植物的影响

  植物在生命周期中的一切生物化学作用都必须在一定的温度条件下进行,不管湿度、光照、CO2浓度等其他环境条件如何适宜,植物总将在温度降低至某一低温或 超过某一高温时停止生长发育。

  温度对植物的影响主要表现在两个方面:一是发育进程的快慢,包括出叶速度(叶龄)及开花日期等;二是生长量增长的快慢,包括 株高、叶面积、节间长度、果实大小等。当然,温度的影响要和光照强度相结合进行分析。当光合产物大于呼吸消耗时,植物体内有机质才会有积累。当温度超过光 合最适温度后,光合强度减弱而呼吸强度增强,将减少物质的积累,影响植物的生长。

  1.2 湿度对植物的影响

  湿度主要指温室内空气的相对湿度,其大小不仅影响着温室内植物蒸腾与地面蒸发量,而且直接影响着植物光合强度与病害情况。湿度与病原微生物的繁殖密切相关,因此湿度条件是引起植物病害的主要原因。

  研究发现,植物的生长和发育并不取决于某一时刻某个特定温度与湿度,而主要取决于在一个时间段中的平均参数。这就要求控制系统不能设置一个固定的参数值,温室中的温度和湿度在最高和最低范围内进行变动,以求在一个较长的时间段内达到理想的生长环境。

  控制系统根据室外的气候,在使用最低能耗、最佳利用温室中 现有的设备情况下进行动态调节,保持在适宜植物生长的状态。

  2 温室环境参数检测

  2.1 环境温度检测

  控制系统中需要采集温室中多点温度或温室群的温度,本系统采用美国DALLAS公司生产的单线式数字温度传感器DS18B20,其结构简单不需要外接电 路,仅用一根I/O数据线传输数据。每只DS18B20有独立的序列号,实现多个DS18B20传感器挂接在一根数据线上分别检测多点温度。

  单片机通过单线接口控制DS18B20温度传感器,检测温度先发启动命令,当DS18B20接收到温度转换命令启动转换,转换完成后的温度值以16位带符 号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的高、低字节中;读取数据时低位在前,高位在后,数据格式以0.062 5 ℃/LSB形式表示。

  暂存存储器的高字节前5位的 “S”为符号位,当S=0时,直接将二进制位转换为十进制数;当S=1时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。DS18B20完成温度转换后,把测得的 温度值与TH、TL做比较,若T>TH或T<TL,则将该器件内的告警标志置位,并对主机发出告警命令。

  由于DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值,所以要进行计算转换。温度高字节中的前5位用来保存温度的正负(标志为S的 bit11~bit15),高字节(MS Byte)的后3位和低字节8位来保存温度值(bit0~bit10),其中低字节(LS Byte)的低4位保存温度的小数位(bit0~bit3)。

  由于要求采用0.062 5的精度,小数部分的值,可以用后四位代表的实际数值乘以0.062 5,得到真正的温度值,本系统保留一位小数,即检测的温度精确到0.1度。

  2.2 环境湿度检测

  本系统采用HS1101湿度传感器采集环境的相对湿度,HS1101属于电容式湿度传感器,其工作机理是当基于电极间的感湿材料吸附环境中的水份时,其介电常数随之变化,等效电容与环境中水蒸汽的关系表示为:C=ε0×εμ×S/d

  其中ε0是真空介电常数、εμ是感湿材料的介电常数、S是电容式传感器有效面积、d为感湿膜厚度。

  HS1101湿度传感器的线性输出电压与湿度的关系:

  Vo=Vcc(0.00474×%RH+0.2354)

  在环境湿度检测中,既可以利用HS1101湿度传感器的等效电容与湿度的关系,组成振荡器,将湿度与电容的关系转化为湿度与频率的关系,测量频率达到检测 湿度的目的;也可以利用HS1101湿度传感器的输出电压与湿度的关系,测量电压实现湿度检测。本系统利用HS1101的等效电容与湿度的关系,测出频率 实现湿度的测量。

 

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