農業大棚的溫濕度監測系統的設計方案

蒲維杰

摘 要：農業大棚的溫濕度監測系統能提高大棚作物生產的效率和質量。隨著農業技術的進步，精確的環境控制變得至關重要，尤其是在溫濕度和二氧化碳濃度的監測方面。首先，介紹了農業大棚濕度監測系統的基本理論，闡述了溫濕度監測系統的工作原理和核心技術。其次，詳細討論了系統的硬件部分設計，包括單片機最小系統電路、電源管理模塊、溫濕度監測模塊、ADC轉換電路，以及二氧化碳濃度采集處理設計，形成了高效、可靠的監測系統，不僅能夠精準地測量大棚內的環境參數，還能夠為農業生產提供數據支持。最后，涵蓋系統的調試過程，確保其在實際應用中的穩定性和準確性。通過這種綜合方法，為中國現代農業提供一種創新的技術解決方案，促進農業可持續發展。

關鍵詞：溫濕度監測；農業技術；物聯傳感

中圖分類號：S625 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–00-03

本研究設計高效的農業大棚溫濕度監測系統，提高農業大棚的管理效率和作物生長的質量。隨著現代農業技術的快速發展，對大棚內溫濕度的精確控制變得越來越重要，本系統應用了先進的傳感器和物聯網技術，能夠實時監控大棚內的環境條件。通過智能算法對數據進行分析處理，優化灌溉和溫度管理[1]。本研究不僅關注系統的技術實現，還考慮系統在實際農業生產中的可應用性和經濟效益，力求在保障作物生長的同時，提高能源使用效率和降低運營成本。通過對該系統的實施，為現代化農業生產提供創新的解決方案，有助于推動農業的可持續發展，通過更有效地使用資源，減少浪費，最終實現經濟和環境雙贏的目標[2]。

1 農業大棚濕度監測系統的基本理論

為了迎合時代的需求與公共設備體系的建立，本系統在傳統大棚濕度監測的基礎上進行了改進，全面實現自動化、農業化以及可視化操作。該系統實現的基本思路如圖1所示。

農業大棚濕度監測采用STM32單片機為控制芯片，實現大棚土壤溫濕度數據的自動監測和實時顯示與實時處理，使用者可以根據需要，自己手動實現調節溫濕度與閾值的范圍，實現了手動可調。還有對大棚土壤中溫濕度數據進行實時監測處理的功能。

系統所用的傳感器為DHT11溫濕度傳感器，該傳感器可以實現對大棚土壤中的溫濕度信息進行實時監測；利用液面傳感器實時監測水箱中液面的高度值；樹木轉換模塊將傳感器采集的溫濕度數據模擬量轉換成可被單片機處理識別的數字量信息；LCD1602液晶顯示模塊實時地顯示AD模數轉換后的溫濕度數字量信息，以及液面的高度信息和用戶的預設預警值的溫濕度數字量；MCU數據處理實現對各個傳感器模塊的控制及數據的處理；多功能報警模塊和繼電器開關控制，則是監測的溫濕度數據不在用戶所設的閾值范圍內時，發出聲光報警提醒用戶澆水，同時繼電器自動吸合水泵工作，完成自動澆水。若一段時間以后監測到土壤中的溫濕度數據，并且這個數據在使用者預先所設的閾值范圍內，那么繼電器將會斷開，水泵停止工作[3]。

2 農業大棚濕度監測系統硬件部分的設計

2.1 單片機最小系統電路設計

單片機的最小系統主要涵蓋電源供電單元、復位電路單元和時鐘單元。其中，復位單元原理是當系統上電完成時，會自動完成一次復位操作。這可以用于系統的重啟操作，例如當系統出現寄存器發生錯亂或顯示問題，此時按下復位鍵，那么系統會恢復上電復位狀態。復位電路硬件設計如圖2所示。

2.2 系統電源管理模塊

考慮到系統各模塊的工作電壓都為+5 V，因此需要設計一個電壓穩定在+5 V的穩壓模塊。選取的是型號為LM7805的穩壓芯片，其將所輸入的電壓轉換成各模塊所需的工作電壓。同時，為了減少電壓波動的影響，濾波電路采用了2個電解電容進行并聯。具體穩壓電路的實現見圖3所示。

2.3 溫濕度監測模塊設計

系統采用DHT11溫濕度傳感器，溫濕度傳感器可以收集大棚土壤和大棚內的濕度信息。節約了單片機的片內處理資源，顯著提高了其處理能力效率[4]。DHT11數字溫濕度傳感器可以測量-40～80 ℃的環境溫度，且精度為±0.5 ℃，采用單線數據傳輸的形式，將采集到的數據傳遞給數據處理單元，然后進行處理顯示。詳細的溫濕度數據采集電路圖如圖4所示。

2.4 ADC轉換電路設計

ADC轉換電路采用的是ADC0832ccn芯片，該芯片的硬件結構圖如圖5所示。ADC轉換電路憑借成本低、功耗小和兼容性強等優點，適合大面積網絡的開發使用，因此適合在大棚報警系統中使用。此外，ADC轉換電路還可以進行多路AD轉換，滿足多個任務的需求。為芯片的08號引腳提供+5 V的直流電壓，就能夠使得芯片正常運行。同時在高性能、高頻率的狀態下，芯片可以在極短的時間內將溫濕度信息進行?！獢缔D變，能夠滿足客戶獲取實時數據的需求[5]。

2.5 二氧化碳濃度采集處理設計

采集二氧化碳濃度的主要器件是MQ-9傳感器，它能精確地獲取所需的濃度信息。在設計電路時需要考慮該傳感器的電阻進行上電處理，其原理是系統正常供+5 V電壓以后，內部的大功率電阻絲可以利用電流的熱效應使傳感器正常工作。同時，在設計電路時為了減少不必要的等待時間，將傳感器的引腳01、02和03全部接入+5 V，而引腳04～06進行接地處理。內部通過A和B這2個金屬撥片，來探測空氣中的煙霧氣體濃度[6-9]。然后，根據其內部化學物質與空氣中氣體發生化學反應，從而產生電流變化。通過這種電流的變化邏輯處理單元根據算法來采集與監測二氧化碳濃度。其具體硬件原理邏輯圖如圖6所示。

3 系統調試

在系統調試時，選取的測試環境為略顯干燥的土壤環境進行系統調試場景。同時，在系統調試時需要滿足分模塊化的測試準則，即先針對不同的模塊單元進行分步調試。在調試沒有問題以后，再進行整個系統的聯調。這樣可以測試獨立單元，能夠及時發現并解決問題，防止系統整體聯調時發生錯誤而找不到錯誤的源頭。在分模塊調試時，先對氣體濃度監測部分進行測試，調試DHT11溫度采集單元，然后調試顯示單元，測試按鍵電路單元，最后調試報警單元。在調試時，需要進行不斷測試與改進，以達到最佳效果。

具體測試實現流程如下：系統上電復位完成后，根據原先設置的濕度10%～18%報警濃度、溫度35 ℃的條件下，將傳感器靠近土壤?？梢园l現溫度開始緩慢上升，同時若當監測的濕度數據低于設置的報警值時，或者當監測的溫濕度低于預設的閾值時，開啟預警模式，能在光報警的同時繼電器開關閉合，水泵開始工作。調試流程圖如圖7所示。

4 結論

第一，升級傳感器以適應更廣泛的應用場景；第二，整合物聯網和AI技術，使用NB-IOT或Wi-Fi傳輸數據；第三，增加對土壤微量元素的監測，實現更科學的種植和灌溉管理。未來的研究可以進一步提高系統的穩定性、準確性和用戶友好性，也可以探索新的監測參數和數據分析方法，以更全面地滿足現代農業生產的需求。通過這種方式，溫濕度監測系統將繼續在提高農業生產效率和促進生態可持續性方面發揮關鍵作用。

參考文獻

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