新型智能溫室模擬系統(tǒng)及其控制

徐　璜　崔秋實(shí)　黃　英　嚴(yán)　殊　劉光德

摘要：文章針對(duì)溫室作物的生長特性和環(huán)境因素的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能溫控模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是利用ADuC841芯片作為主控，使外圍電路簡單，系統(tǒng)智能程度較高，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定；二是加入了節(jié)能的新構(gòu)思。

關(guān)鍵詞：智能溫控；人工智能；新型節(jié)能；能源轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：S625.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）02-0052-03

隨著社會(huì)的進(jìn)步和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，許多產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)和使用環(huán)境的要求越來越高，人們對(duì)溫度、濕度、光強(qiáng)、二氧化碳濃度、灰塵等環(huán)境因素的影響越來越重視了。為此，以農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展為目的開發(fā)一種智能控制系統(tǒng)即符合國家當(dāng)前政策又順應(yīng)智能化研究趨勢。就目前國內(nèi)的發(fā)展情況看來，它的應(yīng)用范圍還是很廣泛的，例如：糧倉溫室控制系統(tǒng)，自動(dòng)窗簾，大棚蔬菜生產(chǎn)，儲(chǔ)藏室等等。

溫室系統(tǒng)的發(fā)展大概經(jīng)歷了四個(gè)階段：起初是手工階段，環(huán)境控制就是根據(jù)種植者的經(jīng)驗(yàn)以避免一些環(huán)境惡劣的情況。隨后，機(jī)械設(shè)備取代了手工，溫室中幾乎都開始安裝這種環(huán)境控制盒。在20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)取代了環(huán)境控制盒系統(tǒng)。智能溫控是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。

一、智能化溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代的智能溫控系統(tǒng)一般分為：數(shù)據(jù)采集模塊，主控模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，顯示模塊，功能模塊。

（一）系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成，硬件部分主要完成各種傳感器信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、各種信息的顯示等；軟件主要完成信號(hào)的處理及控制功能等。

圖1 智能溫控系統(tǒng)框圖

該測控系統(tǒng)不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護(hù)性按照芯片的說明連接，多個(gè)傳感器也可以用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，用分時(shí)選通分時(shí)轉(zhuǎn)換就行。其工作原理是MCU分時(shí)查詢各傳感器的輸出信號(hào)，然后MCU對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后通過顯示模塊輸出，同時(shí)還可輸出各種報(bào)警信號(hào)。

1．軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、控制驅(qū)動(dòng)子程序等六大模塊組成。軟件設(shè)計(jì)使用了protues仿真軟件主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的仿真、ilc51和ICCAVR編輯器，負(fù)責(zé)單片機(jī)的軟件調(diào)試生成HEX文件、VC++負(fù)責(zé)用戶界面的軟件實(shí)現(xiàn)。給出了詳細(xì)的功能說明和流程圖。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、控制等。通過控制不同時(shí)期作物生長所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫室的智能化管理，具有操作簡便、自動(dòng)化程度高和良好的人機(jī)交互功能，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

2．硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個(gè)模塊：MCU、傳感器模塊、A／D轉(zhuǎn)換器、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等。主控模塊： MCU主要完成外圍硬件的控制以及一些運(yùn)算功能；數(shù)據(jù)采集模塊包含：溫度/濕度等傳感器完成信號(hào)的采樣功能，A/D轉(zhuǎn)換器主要完成模／數(shù)的轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)器主要完成程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；顯示模塊：液晶顯示器，完成字符、數(shù)字的顯示功能。驅(qū)動(dòng)模塊則主要以直流電機(jī)和繼電器為主。功能模塊：風(fēng)扇、遮陰及節(jié)能棚、制熱器等。

整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為主控，以及PC機(jī)為輔助工具來實(shí)現(xiàn)的。PC機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)定和顯示的各類的環(huán)境參數(shù)并通過串口把相應(yīng)的指令送到單片機(jī)中，單片機(jī)便立即執(zhí)行PC機(jī)發(fā)出的命令，施行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、管理以及外電路的控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3．傳感器

（1）溫度傳感器。采用AD590，因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時(shí)，輸出電壓VO隨溫度的變化為1mV/K。測量地表溫與土溫也可以用AD590集成溫度傳感器。由于傳感器探頭要插入土中，所以要將傳感器及變換電路封裝在金屬探棒中。金屬探棒可以起到防水、防腐的作用。又因?yàn)榻饘俚膶?dǎo)熱性好，所以金屬探棒不會(huì)影響傳感器對(duì)溫度的測量。

（2）濕度傳感器。采用IH3605電容式集成濕度傳感器。其輸出電壓較高且線性較好。尤需進(jìn)行信號(hào)放大和信號(hào)調(diào)整，可直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

（3）光照強(qiáng)度傳感器。本系統(tǒng)選用北京林業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的光量子傳感器，主要由感應(yīng)元件和匹配濾光片系統(tǒng)組成。感應(yīng)元件選用硅太陽能電池，在太陽輻射作用下產(chǎn)牛的光電流與輻射強(qiáng)度成線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)的硅光電池的光譜響應(yīng)在400nm～1100nm的范圍，峰值波長為800nm。光量子傳感器是一種靈敏的藍(lán)色硅電池，在近紅外區(qū)域700nm～1100nm只有相當(dāng)?shù)偷捻憫?yīng)，而在可見區(qū)域400～700nm比一股硅電池的響應(yīng)卻要高得多，峰值響應(yīng)在550～650nm之間。光量子傳感器在光的照射下，輸山變化十分微弱的電流信號(hào)（約幾個(gè)微安）。所以光合有效輻射的檢測電路應(yīng)選用低漂移，共模抑制比高的集成運(yùn)算放大器。放大電路采用電流一電壓變換放大電路。

（4）C02濃度傳感器。C02濃度傳感器選用紅外線氣敏傳感器。其測量范圍寬，達(dá)-2000ppm，檢測精度可達(dá)15％?？梢赃x用這種方法來監(jiān)測溫室空氣中C02的濃度。

（5）土壤水分傳感器。選用TDR-3型土壤水分傳感器。TDR-3土壤水分傳感器可測量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機(jī)理無關(guān)，是目前國際上最流行的土壤水分測量方法。TDR-3型土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。

4．A/D轉(zhuǎn)換器

選用MAX191，MAX191與微處理器接口簡單，使用方便、靈活，12位分辨率，同時(shí)它有很高的轉(zhuǎn)換速度。采集模塊的傳感器將檢測到的不同環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓量，通過A/D轉(zhuǎn)換器后與設(shè)定的值比較，如果有變化則判斷行位置的開關(guān)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)單片機(jī)中斷引腳上接收到高電平時(shí)，便開始執(zhí)行中斷響應(yīng)。不同的中斷設(shè)定了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序來驅(qū)動(dòng)功能模塊。由于功能模塊多而單片機(jī)的外部中斷少，因而我們也采取單片機(jī)通信，通過判斷發(fā)送的信號(hào)來進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境因子的控制。例如，將一種環(huán)境參數(shù)的變化狀態(tài)傳入任意一個(gè)I/O端口。當(dāng)主程序檢測到變化信號(hào)時(shí)，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)運(yùn)行雙機(jī)通信的子程序，達(dá)到多樣化的控制方式。

在測量過程中，由光柵發(fā)出的脈沖信號(hào)觸發(fā)MCU中斷，單片機(jī)每響應(yīng)一次中斷，啟動(dòng)MAX191進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集數(shù)據(jù)，并通過RS-232接口把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)軟件采用Visual Basic編寫。

5．44780顯示模塊

本系統(tǒng)采用44780驅(qū)動(dòng)的LCD，HD44780（KS0062）是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規(guī)模點(diǎn)陣LCD控制器（兼帶驅(qū)動(dòng)器），和4bit／8bit微處理器相連，它能使點(diǎn)陣LCD顯示大小寫英文字母、數(shù)字和符號(hào)等豐富的信息，同時(shí)有較強(qiáng)的通用性應(yīng)用，使用方便，用戶能用少量元件就可組成一個(gè)完整點(diǎn)陣LCD系統(tǒng)，送入相關(guān)的數(shù)據(jù)和指令即可實(shí)現(xiàn)所需的顯示。

44780顯示模塊有8條數(shù)據(jù)線，3條控制線，可與微處理器或微控制器相連，通過送入數(shù)據(jù)和指令，就可使模塊正常工作。

由單片機(jī)去控制數(shù)字顯示器，顯示溫室大棚內(nèi)的實(shí)際參數(shù)。一旦該參數(shù)值超過我們預(yù)先設(shè)定的上、下限，單片機(jī)便啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)而對(duì)大棚內(nèi)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)控制。這種設(shè)計(jì)方案能對(duì)不同環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分時(shí)檢測，各檢測單元能獨(dú)立完成各自功能，同時(shí)能夠根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)參數(shù)進(jìn)行定時(shí)采集，測量結(jié)果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機(jī)串行口，通過RS-485總線及通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的存檔、處理。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送，控制各個(gè)從機(jī)進(jìn)行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，并對(duì)測量結(jié)果（包括歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行整理、顯示和存儲(chǔ)。

電機(jī)調(diào)速利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器延時(shí)，配合軟件產(chǎn)生脈沖調(diào)制波（PWM），即導(dǎo)通和截止的比例的變化導(dǎo)致電機(jī)兩端的電壓變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。驅(qū)動(dòng)部分要解決的問題是功率放大和隔離，由驅(qū)動(dòng)芯片LN298構(gòu)成外圍電路，可與單片機(jī)直接連接，對(duì)小功率直流電機(jī)具有很好的驅(qū)動(dòng)和控制能力，并且效率高、能耗低、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)，而智能調(diào)節(jié)的重點(diǎn)就是根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化來調(diào)整PWM。再通過電流繼電器控制相應(yīng)功能模塊工作，當(dāng)電流過小或過大時(shí)，它檢測到這種電流信號(hào)后便控制電動(dòng)機(jī)的啟停。

（二）節(jié)能實(shí)現(xiàn)以及電源的切換

1．太陽能發(fā)電與節(jié)能的實(shí)現(xiàn)

眾所周知，一般型大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或研究基地，有著得天獨(dú)厚的自然資源（太陽能，水能），但在能源供給（電能）方面投入了大量的人力、物力。因此如果以自然資源的轉(zhuǎn)換來減少人力和物力的投入，那么系統(tǒng)的研究將走在時(shí)代的前列。

考慮到太陽能資源的豐富，本系統(tǒng)將功能模塊的遮陰棚以特殊的材料制作，來達(dá)到太陽能發(fā)電的目的。太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。

光—熱—電轉(zhuǎn)換方式：通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程。

光—電直接轉(zhuǎn)換方式：該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。

圖2節(jié)能構(gòu)想系統(tǒng)框圖

太陽能發(fā)電節(jié)能而又環(huán)保，用于溫控系統(tǒng)的電源供給體現(xiàn)了“新型”這一理念。我們擬用了兩種發(fā)電方式，在光—熱—電轉(zhuǎn)換方式中可以將一部分的熱能用以熱能供給，同時(shí)也充分的利用了灌溉水。除此，我們?cè)O(shè)想還可以利用風(fēng)力來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，這樣在多云天氣（光照弱）的情況下系統(tǒng)照樣可以有足夠的能源供給的保障。

2．電源的切換

一般大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，有完善的供電系統(tǒng)但耗電量大成本及能源的損耗大。因此對(duì)民用供電系統(tǒng)和蓄電池電量進(jìn)行跟蹤檢測。當(dāng)蓄電池由于天氣等外界因素的影響而電量不足20%（根據(jù)實(shí)際耗電量設(shè)定這個(gè)百分比）則切換為民用電。反之，在停電或其他社會(huì)因素導(dǎo)致民用供電系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，則切換太陽能蓄電池。

針對(duì)本系統(tǒng)節(jié)能的特色，正常情況下一般采用蓄電池供電。

二、結(jié)語

本系統(tǒng)針對(duì)溫室控制的智能化和自動(dòng)化進(jìn)行了研究，以及對(duì)溫控系統(tǒng)的節(jié)能和電源供給的拓展和構(gòu)想，順應(yīng)了智能化、節(jié)能化、環(huán)?；内厔?。新型的智能溫控系統(tǒng)體現(xiàn)了資源的良性循環(huán)利用。由于實(shí)際的系統(tǒng)龐大復(fù)雜，我們將代表性的設(shè)想以實(shí)物的形式進(jìn)行模擬、驗(yàn)證及調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明智能控制部分大體已實(shí)現(xiàn)，對(duì)于拓展部分有很高的研究價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新基金，基金編號(hào)：SWUST-CX

081078。

作者簡介：徐璜（1987- ），男，江蘇揚(yáng)州人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：計(jì)算機(jī)通信；崔秋實(shí)（1986- ），男，山東淄博人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：電氣工程；黃英（1986- ），女，四川瀘州人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：數(shù)字媒體；嚴(yán)殊（1956- ），男，四川綿陽人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，博士，研究方向：計(jì)算機(jī)控制，控制理論；劉光德（1956- ），男，四川成都人，西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：智能儀器儀表。