经济型智能温室控制系统研究.docVIP

经济型智能温室控制系统的研究 针对目前国内自动控制温室普遍运营成本较高，经济效益较差的现状，研究节约能源型的温室结构和管理模式己成一个重要发展趋势，所以在满足控制要求的同时，研究设计经济型的控制方法和控制系统显得尤其迫切。托普物联网在综合考虑系统的测量精度、效率以及成本等多方面要求之后，选用性价比较高的数字式温度传感器，实现对温度的精确测量与准确控制。 针对不同参数，可以通过键盘手动输入预设值， 通过单片机控制相应的执行部件，操作简单、使用灵活。对于小型温室，为降低成本，可设计一个串行接口和下载线，用于下载程序；对于大中型温室，可增加上位机，通过 RS-232 实现和下位机的串行通讯，采用模糊控制方案实现对温室的智能控制。 托普物联网在从事物联网的这些年里，不断的在摸索中前景，探讨适合中国使用的物联网系统结构，通浙江大学的教授们讨论，响应国家的农业发展号召，农业物联网的概念，并具体的实施了已经研发出的物联网系统，并取得较好的成绩。备受国家农业部重视，同时，物联网的发展也是未来的发展趋势。 1.1温室环境因子分析 温室环境包括非常广泛的内容，但通常所说的温室环境主要指空气与土壤的温度、湿度、光照及 CO2浓度等。 所有这些条件之间是相互作用、相互联系和相互耦合的，作物的生长发育是这些条件综合作用的结果。 以温室作物黄瓜为例，温度、湿度及光照等是影响黄瓜产量的主要限制因子，黄瓜是喜温物，其适宜生长的温度范围为15～30℃， 结瓜期要求昼夜温度分别为25～30℃和 12～15℃；黄瓜各个时期适宜相对湿度范围为60%～85%RH；黄瓜适宜光照强度范围 5～35 kLX。 温室环境控制的重点就是对这些要素进行控制与管理，为作物创造适宜的生长发育环境。 1.2控制方案设计 该系统采用上、下位机体制，分模块独立设计，以满足不同需求。针对大型连栋温室可采用上、下位机和传感器系统结合控制方案，对小规模农家温室，仅需要选择下位机系统与传感器系统结合完成温室控制。上位机采用 PC 机，主要完成数据管理、智能决策及数据统计分析等；下位机采用单片机，主要由主控模块、数据采集模块、人机对话模块、输出控制模块和数据通信模块5个部分组成。系统结构总体设计框架如图1所示。 图1 温室测控系统结构 2系统硬件电路 该系统下位机设计以单片机为核心，通过各传感器对日光温室内温度、湿度、光照及 CO2等参数实时检测，各检测点温度可以直接送入，而湿度、光照及 CO2等参数经过 A/D 转换器进行模数转换后送入单片机，与预先设定的上下限值进行比较，如有越限量，则有发声报警且相应执行机构动作，直至调节至目标范围内。 控制系统基本硬件结构原理如图 2 所示，主要由检测、控制及键盘显示等模块构成。 图2 控制系统基本硬件结构电路示意图 2.1微处理器选择 微处理器采用 51 系列单片机 AT89C51 为核心组成测控单元。 AT89C51 是美国 Atmel 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机， 片内有 4KB 的闪烁可编程及可擦除只读存储器，与工业标准的 8051 指令集与引脚分布相兼容，并且采用 CMOS 工艺，功耗低，在性能上优于传统的 MCS-51 系列单片机，性价比高，广泛应用于各种控制领域。它的极限工作温度为－55～＋125 ℃，储藏温度为－65～＋150 ℃，最高工作电压 6 V，直流输出电流 15 mA。 2.2传感器的选择 温度检测选用 Dallas 公司生产的一线式数字温度传感器 DS18B20，该器件耐磨、耐碰，体积小，使用方便，适合于恶劣环境的现场温度测量。 采用直接数字化输出，只有 3 个引脚（即电源 VDD、地线 GND、数据线DQ），且不需要外部元件，而是共用一条数据线进行通信。 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。 该电路检测温度范围为－55～＋125 ℃，精度为 0.5 ℃，用 9bit 数字量表示温度，每次将温度转换成数字量需 200 ms。选用电容式湿度传感器 HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，动态范围大，动态响应快，几乎没有零漂，结构简单，适应性强，最突出的优点是长期稳定性极强，年漂移量 0.5％RH/年。 对湿度传感器 HS1101 的信号处理完之后的信号为脉冲信号，针对湿度变化，脉冲宽度会发生变化， 所以可以直接把 HS1101 处理完之后的信号送到单片机的外部中断口（INT0），来实现脉冲信号宽度测量。光照采集电路主要由一个 TSL235 型光频转换器和多路开关构成。 光频转换器将光照转换为一个与光照强度成正比例的方波电压信号，此方波电压信号经过多路转换开关输入到 CPU 的计数