二氧化碳浓度监测系统

小型农作物温室大棚二氧化碳浓度监测系统*刘立群（甘肃农业大学信息科学技术学院甘肃兰州，730070）摘要：针对小型农作物温室环境指标监测的需要，设计实现了农作物温室大棚二氧化碳浓度监测系统。采用STC系列单片机控制，对农作物大棚内二氧化碳浓度进行近距离实时监测，采用TFT彩屏显示实时值和动态曲线，具有阀值调节，超过阀值报警，可实现小型温室农作物的生长环境二氧化碳浓度的实时监控。关键词：小型农作物温室大棚；二氧化碳浓度；单片机；TFT彩屏；实时监测DOI编码：doi:10.3969/j.issn.1001-9227.2014.06.0102Abstract:Abstract:Tosolvetheproblemofenvironmentexponentmonitoringinminitypecropgreenhouse,thecar-bondioxideconcentrationmonitorsystemofminitypecropgreenhouseisdesigned.ByadoptingSTCseriessinglechip,thesystemcanreal-timemonitorcarbondioxideconcentrationofminitypecropgreenhouse,andusesTFTcolorscreentodisplayreal-timevaluesandcurves.Thesystemhasthresholdtocontrolandcouldgiveanalarmforimplementingreal-timemonitoringofcarbondioxidedegreeinminitypecropgreenhouse.KeywordsKeywords：：Minitypecropgreenhouse;Carbondioxideconcentration;Singlechip;TFTcolorscreen;Re-al-timemonitoring中图分类号：TP368文献标识码：B文章编号：1001-9227（2014）06-0102-03收稿日期：2014-04-29*基金项目：国家自然科学基金资助项目（61063028）；中国博士后科学基金资助项目（2013M542398）；甘肃省自然科学研究基金计划（1308RJZA214，1208RJZA133）；甘肃省高等学校研究生导师科研项目（1202-04）；甘肃农业大学盛彤笙科技创新基金资助项目（GSAU-STS-1322）；兰州交通大学青年科学基金项目（2013032）作者简介：刘立群(1982-)，女，甘肃天水人，讲师，硕士，主要研究方向为智能计算，数据库技术。0引言二氧化碳是绿色农作物进行光合作用的原料之一，作物干重的95%来自光合作用。因此，二氧化碳也就成为影响农作物产量的重要因素。温室大棚栽培使农作物长期处于相对密闭的场所中，棚内二氧化碳浓度一天内变化很大，温室大棚内二氧化碳亏缺严重会成为影响温室大棚农作物产量的重要因素。在温室大棚中安装农作物温室环境指标检测仪可以保证检测温室大棚内二氧化碳浓度不足的情况下及时报警，从而使用气肥，以保证蔬菜、食用菌、鲜花、中药等农作物提早上市、高质高产。1农作物温室环境监测系统研究现状现代温室的主要特征是在温室环境的监测与控制系统的设计上引入了计算机技术、电子技术、有线和无线通信技术等。现有的温室环境监测系统大多都结合无线通信技术进行远程控制，主要应用于规模较大的温室且需要远程数据传输的领域[1]，如基于手机短消息[2-3]或GSM远程监控的温室环境系统[4-6]。这些系统都是对温室中的环境指数如二氧化碳浓度的实时数据通过GSM短信发送给用户手机的，然而大量的实时数据发送至用户手机进行监控无疑会造成丢包的现象；同时，远程监控具有不可实时观察、动态控制的缺点，尤其对于小型农作物温室环境的控制，具有不灵活控制、成本高的缺陷。文献[1]给出了国内现代温室监测系统的主要架构方案，主要用于小规模且不需要数据远程传输的现代温室监测系统，硬件包括无线传感器节点、微处理器模块、监控中心（PC机）等；也给出了温室规模较大且需要数据远程传输的现代温室监控系统的主要架构方案，硬件主要由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块（即射频收发模块）和电源模块组成。综合比较两种方案，可以看出要实现大规模温室监测系统需要的设备是相当大的，其成本和造价也会大幅提升，这并不适用于小型温室的监测。因此，对于小型温室的环境监测，还是首选第一种方案。然而，第一种方案中涉及到监控中心小型农作物温室大棚二氧化碳浓度监测系统刘立群102《自动化与仪器仪表》2014年6期（总第176期）（PC机），主要用于数据的存储和监控，并对动态的环境指数进行数据处理。但是温室中的环境指数如二氧化碳浓度的变化是实时的，大量的实时数据通过无线传感器传输至监控中心进行存储和处理，需要大量的硬盘资源和处理时间，容易出现内存溢出、死机等现象，存在不能及时处理实时数据的缺陷。2农作物温室大棚二氧化碳浓度监测系统的设计针对小型农作物温室环境指标监测的需要，并避开传统上使用无线通信技术进行数据传输监控方式容易丢包、观察不直观、控制不及时的缺陷，本系统设计采用TFT彩屏动态显示二氧化碳浓度的实时值和动态曲线，并具有阀值调节，超过阀值报警。2.1系统功能本系统主要完成以下功能：（1）二氧化碳浓度动态监测：当农作物温室大棚中的二氧化碳气体进入二氧化碳浓度传感器后，传感器利用气敏电极或者气体扩散电极等构成一系列电池测量二氧化碳气体含量，其中气敏电极测量一些溶解在溶液中气体的含量用于环境监测。（2）二氧化碳浓度动态曲线显示：二氧化碳传感器将生成的电信号经由A/D转换器转化成数字信号送给STC12C5A60S2单片机，由软件程序和单片机来共同控制TFT液晶显示输出。管理人员可以通过TFT彩屏观察一段时间内二氧化碳浓度的变化趋势，系统每200秒刷屏一次。（3）阀值调节：管理人员可以随时根据温室大棚内的二氧化碳的实际浓度进行阀值调节，以安全预警。（4）动态报警：当系统的监测数值超过设定的阀值时，由软件程序和单片机来共同控制输出报警信号，实现动态报警。2.2系统结构该系统主要由STC12C5A60S2单片机、二氧化碳气敏传感器信号采集电路、气体状态判断电路、TFT液晶显示电路以及报警电路等组成。电路的前端部分二氧化碳传感器和分压电路按照常规设计，后端主要利用单片机的控制通过手动来设置所种植农作物最适宜的二氧化碳浓度的报警阀值，让其在二氧化碳浓度过低或是过高的情况下能够发出报警信号以通知管理人员即时换气。系统总体结构如图1所示。图1系统总体结构2.3软件运行流程该系统的软件主要用于控制单片机对输入信号进行检测，将输出信号送入TFT液晶显示输出，并判定超出阀值后控制输出报警信号。软件选用德国Keil公司推出的Cx51编译器，在nVision2集成开发环境下完成从源程序编辑、编译调试，直到生成最终可执行文件代码的全部过程。该系统的重点是控制nRF905的程序设计。首先应对nRF905进行初始配置，配置完成后按需要编写各个功能的程序。软件总体流程见图2所示。图2软件总体流程图2.4系统操作说明将系统硬件接入电源，打开开关。屏幕进入30秒的准备时间，屏幕显示系统开发者等信息。30秒计时结束后随即进入监测界面，TFT彩色显示屏最上方显示时间，最下方显示二氧化碳浓度的阀值。其中时间和阀值的设置可以通过矩阵键盘进行调节。TFT彩色显示屏中间显示的绿色P曲线代表二氧化碳的实时数值及动态曲线变化情况，该系统每103200秒刷屏一次。系统运行中，管理人员根据监测界面的二氧化碳浓度变化趋势，利用矩阵键盘进行阀值调节，设置预警阀值。当系统监测到当前二氧化碳浓度高于预警阀值时，发出报警信号。2.5系统界面系统初始化界面和系统运行界面分别如图3和图4所示。图3初始化界面图4系统运行界面2.6系统测试将监测系统放入小型农作物温室大棚中进行测试，二氧化碳浓度随时间变化值见表1所示，二氧化碳浓度变化曲线见图5所示。可以看到，随着时间的推移，温室内的二氧化碳浓度逐步下降，系统在检测到其浓度低于阀值时将产生报警信号，从而实时监控生长指数的变化。表1二氧化碳浓度随时间变化值时间/sCO2/ppm0303520262840260160254180249310024761202449140239801000200030004000050100150时间/s二氧化碳浓度/ppm二氧化碳浓度（ppm）图5二氧化碳浓度变化曲线3小结农作物温室大棚二氧化碳浓度监测系统具有硬件组成结构简单、成本低廉、精度高、交直流电源两用、便携式、功耗小、操作简单性能稳定等优势。且实现了对农作物温室大棚的关键环境指标二氧化碳浓度监测并用TFT彩屏显示实时值。系统采用了最先进的51单片机STC12C5A60S2，处理速度是普通单片机的4到5倍。与其他同类设备相比，该系统采用分辨率为240*320的TFT彩屏，显示更为丰富；并设计了曲线统计功能，管理人员可以更直接地看到一段时间内二氧化碳浓度的变化趋势。该系统能够实现近距离的实时控制，让管理人员能时刻了解到当前温室内农作物的生长环境指数，具有一定的先进性和创新性。参考文献[1]周素茵，章云，曾斌.无线通信技术在我国现代温室中的应用综述[J].传感器与微系统，2011，30（12）：14-17.[2]卫勇，杨延荣，单慧勇.基于手机短消息的温室环境远程监测系统设计[J].农机化研究，2011，1：129-132.[3]赵立燕，许亮.基于GSM短消息的温室环境监测系统[J].电子设计工程，2009，17（7）：29-31.[4]毕卫红，陈鑫.基于GSM的智能温室监测系统[J].电子测量技术，2009，34（3）：114-116.[5]王簃，周杰.基于GSM远程温室环境监控系统的设计和实现[J].现代电子技术，2008，22：151-154.[6]李国兴，夏骏，朱建家.基于GSM的智能温室监控系统[J].电子元器件应用，2012，14（9）：49-52.小型农作物温室大棚二氧化碳浓度监测系统刘立群104