溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)方案

1.引言

溫室又稱暖房，在環(huán)境參數恒定的溫室里培養(yǎng)植物，能為植物提供更合適的生長環(huán)境。溫室包括栽種槽、供水系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)等。要實現(xiàn)溫濕度等理化指標的調控，必須先獲得當前環(huán)境的各項理化指標參數。因此，可在溫室中的各個分布點放置環(huán)境的各項理化指標參數的采樣模塊，根據當前各項理化指標參數及預先設定的各項理化指標的閾值，利用繼電器控制外部設備的開關，則可使溫室維持恒定的土壤溫濕度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等理化指標。

2.ATxmega128A1介紹

ATxmega128A1是強化性能的8位AVR微處理器。其具有128KB閃存，工作電壓為1.6~3.6V，是目前唯一使用1.6V電壓工作的閃存微處理器，功耗超低且具有豐富的片上資源：4路模擬比較器、4通道DMA控制器、8通道事件系統(tǒng)、4個SPI接口、4個I2C口、8個16位定時/計數器、2個16路12位A/D轉換器、2個2路12位D/A轉換器、1個AES加密引擎、1個RTC，以上資源均不用CPU資源，可最大限度提高系統(tǒng)性能且降低功耗，最高可達32MI/s的處理性能。由于其豐富的片上資源，使得外圍電路得到極大的簡化，同時又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及可靠性。

3.系統(tǒng)總體設計

本文所設計的溫室環(huán)境檢測儀，要求可以對溫室內的空氣溫濕度、土壤溫濕度、空氣二氧化碳濃度、光照強度進行采樣，并用液晶屏顯示各個監(jiān)測點的環(huán)境參數，其設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

各個傳感器模塊把被測的非電量轉換為可測量的電壓值或數據，ATxmega128A1微控制器根據各個傳感器的數據傳輸協(xié)議與其通信，獲取各個傳感器檢測到的環(huán)境參數，并將環(huán)境參數傳輸至儲存器中進行數據處理，最終獲得當前溫室環(huán)境的各項理化指標參數。

溫室環(huán)境檢測儀采用了低功耗的的微控制器ATxmega128A1、傳感器模塊以及低功耗的器件，因此該溫室環(huán)境檢測儀具有功耗低的特點。另外，傳感器模塊的線性度、靈敏度、遲滯性、重復性、漂移等靜態(tài)特性良好，能夠滿各種溫室場合。溫濕度傳感器具有瞬時響應快的特性，使溫室環(huán)境檢測儀在溫室環(huán)境參數失調時能及時檢測出溫室環(huán)境參數的變化并輸送給控制電路進行調整，從而使溫室環(huán)境穩(wěn)定，維持農作物生長所需的最適宜的環(huán)境參數。

4.系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)硬件電路由ATxmega128A1最小系統(tǒng)、土壤溫濕度傳感器模塊電路、空氣溫濕度傳感器模塊電路、空氣二氧化碳濃度傳感器模塊電路、光照強度傳感器模塊電路、按鍵顯示模塊電路、報警模塊電路和系統(tǒng)電源模塊電路組成。

4.1土壤溫濕度傳感器模塊

采用SLHT5土壤溫濕度采樣模塊來測量土壤的溫度及相對濕度，其硬件接口電路如圖2(a)所示。該傳感器模塊把傳感元件與信號處理電路集成起來，輸出全標定的數字信號。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個能隙材料制成的測溫元件，并在模塊內集成有14位A/D轉換器以及串行接口電路，具有超快響應、抗干擾能力強和極高的性價比等優(yōu)點。

4.2空氣溫濕度傳感器模塊

采用SHT75空氣溫濕度采樣模塊來測量空氣的溫度及相對濕度，其硬件接口電路如圖2(b)所示。模塊內部含有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。其中包含有一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位A/D轉換器以及串行接口電路在同一模塊上實現(xiàn)無縫連接。其結構大致與土壤溫濕度傳感器模塊電路相同，但兩種模塊應用場合不同。

圖2 各傳感器的模塊電路

4.3空氣二氧化碳濃度傳感器模塊

采用MG811二氧化碳感應探頭作為敏感元件，其硬件接口電路如圖2(c)所示。模塊可設定閾值，當環(huán)境參數超過閾值時，DOUT引腳輸出低電平。模塊亦可在AOUT引腳輸出模擬電壓，根據電壓大小查表即可得知當前空氣二氧化碳濃度參數。測量范圍為0~10000ppm.

MG811二氧化碳傳感器具有靈敏度高、選擇性良好、使用壽命長、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。模塊內部帶有溫度補償輸出，當環(huán)境溫度變化時，輸出電壓信號變化，溫度變化量轉換為對應電壓輸出變化量，從而通過程序補償該溫度變化量，使探頭能更有效的檢測。

4.4光照強度傳感器模塊

采用BH1750光強采樣模塊來測量光照強度，其硬件接口電路如圖2(d)所示。該模塊光譜范圍與人眼相近，對光源依賴性不大，具有測量范圍寬(1~65535勒克斯)和高分解的特點。內部帶有1.8V電壓的邏輯輸入接口，照度數字轉換器，I2C總線接口，因此無需任何外部器件即可實現(xiàn)實時的光照強度采樣。

4.5鍵盤顯示、報警、電源模塊鍵盤與顯示模塊是用戶與溫室環(huán)境檢測儀進行信息交流的模塊，鍵盤由多個按鍵組成，顯示電路采用Nokia5110液晶顯示模塊，報警電路則由發(fā)光二極管、三極管、蜂鳴器組成，其硬件電路如圖3所示。電源模塊采用穩(wěn)壓芯片使蓄電池電壓轉化成所需要的供電電壓，其硬件電路如圖4所示。

圖3 蜂鳴報警電路

圖4 電源模塊電路

5.系統(tǒng)軟件設計

溫室環(huán)境檢測儀軟件設計主要包括按鍵掃描設計、Nokia5110顯示程序的設計、I2C通信接口設計。系統(tǒng)軟件設計總流程如圖5所示。