溫室大棚智能溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李麗麗，施 偉

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，人們的生活水平也在不斷地提高，對各種反季節(jié)蔬菜的需求量越來越大。反季節(jié)蔬菜的種植，主要借助溫室大棚為蔬菜生長提供一個合適的溫濕度環(huán)境[1]。由于不同蔬菜作物的適宜溫度和濕度不同，且需要穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。僅僅依靠人工管理會出現(xiàn)調(diào)節(jié)不及時、不準(zhǔn)確等問題，不僅影響蔬菜正常生長，同時也會造成人力資源的浪費[2]。因此，需要一種能對大棚溫濕度檢測有足夠精度，并能實時控制的系統(tǒng)來代替人工操作，同時盡可能有較低成本。

根據(jù)以上要求，筆者針對溫室大棚的分布和各種作物生長的特點，采用PID算法設(shè)計了一套溫濕度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)多點溫濕度數(shù)據(jù)的采集、處理并實時顯示，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境參數(shù)，使農(nóng)作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。系統(tǒng)操作簡單、容錯能力強且容易擴展，具有較高的實際應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫室大棚的溫濕度控制系統(tǒng)首先是一個實時性系統(tǒng)，需要傳感器的各種測量數(shù)據(jù)能及時的顯示，同時，監(jiān)控系統(tǒng)又是一個多點檢測系統(tǒng)，需要在不同的點布置傳感器，這些傳感器要通過總線連接，并實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)傳輸。從總體上講，分為上位機和下位機系統(tǒng)。上位機是總的控制和顯示系統(tǒng)，其通過可擴展的總線和RS-485與物理上分布在不同位置的第二級下位機系統(tǒng)（包括各種傳感器的感應(yīng)模塊）連接。系統(tǒng)在即時性、可靠性、安全性等方面都有特定的要求，其要實現(xiàn)的目標(biāo)如下：（1）對大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)進(jìn)行實時采集，測量棚內(nèi)多個均勻分布點的溫濕度，由溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度采集，MCU對各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測、傳輸。（2）超限數(shù)據(jù)報警。（3）通信系統(tǒng)應(yīng)有較高的可靠性、較好的實時性和較強的抗干擾能力，與MCU通信應(yīng)具有遠(yuǎn)距離傳輸功能，采用RS485通訊方式。（4）系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下：測量溫度范圍為-20～100℃；測量溫度精度±0.1；測量濕度范圍 0～100%；測量濕度精度±2.5。

硬件方面采用模塊化設(shè)計，每一個模塊只實現(xiàn)一個特定功能，最后再將各個模塊搭接在一起。這種設(shè)計方法可以降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。系統(tǒng)硬件電路由溫濕度傳感節(jié)點、LCD顯示、溫濕度控制、報警模塊、看門狗、鍵盤模塊組成。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1 下位機系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 MCU 該系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心[3]。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2.1.2 溫濕度傳感器 充分考慮系統(tǒng)的精度和大棚環(huán)境需要的抗腐蝕性，選擇溫濕度傳感器SHT10。他是SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT1x系列數(shù)字溫濕度集成傳感器的一種，SHT1x系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個電容性聚合體濕度敏感元件，一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式濕度計為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲在OTP內(nèi)存中，在校正的過程中使用[4-5]。兩線制的串行接口，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。單路SHT10傳感器連接如圖2。

圖2 單路SHT10連接

2.1.3 鍵 盤 為了滿足使用需要，設(shè)計了一個6鍵的鍵盤，從鍵盤可以輸入測量溫度和濕度的上下限以及灌溉時間，此鍵盤操作簡單靈活，易于上手。其中5個引腳分別與單片機上的5個端口相連，并有一個電源接口。S3與S6分別為濕度控制調(diào)整的上限與下限按鈕，S5與S2分別為溫度控制調(diào)整的上限與下限按鈕，S4與S1為時間控制調(diào)整的上限與下限按鈕。

2.1.4 濕度控制電路 溫濕度控制電路是設(shè)計的重要部分。首先介紹濕度控制電路，濕度控制電路如圖3所示。當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值，P1.5輸出高電平，反向后為低電平，SSR1交流觸點接通，交流接觸器1線圈得電，接通水泵電機，開始澆水，直到指定濕度；當(dāng)檢測的空氣濕度超過設(shè)定值，P1.6輸出高電平，反向后為低電平，SSR2交流觸點接通，交流接觸器2線圈得電，接通換氣扇，空氣濕度達(dá)到設(shè)定值后換氣扇停止工作。

圖3 濕度控制電路

2.1.5 溫度控制電路 根據(jù)系統(tǒng)用戶預(yù)先設(shè)定的溫度值，對溫室大棚內(nèi)部的溫度進(jìn)行實時控制。該模塊硬件部分由過零檢測電路和PID控制電路兩部分組成，具體電路圖4所示。過零檢測電路由D1～D4這個二極管組成，當(dāng)交流電通過零點時，觸發(fā)外部中斷0，提供加熱的同步處理信號。PID控制電路由加熱電阻、雙向可控硅等組成的阻容浪涌電壓吸收電路組成。作用是控制執(zhí)行主機送來的控制信號，通過PID算法改變系統(tǒng)加熱的速度。

圖4 PID溫度控制模塊電路

2.1.6 看門狗保護(hù)電路 針對現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)會因為工作環(huán)境復(fù)雜而出現(xiàn)程序跑飛的問題，專門設(shè)計了一個看門狗保護(hù)電路?？撮T狗定時監(jiān)視微處理器的工作，如果在1.4 s內(nèi)，處理器不改變WDI電平，RST引腳將變?yōu)楦唠娖?，處理器則被復(fù)位。硬件電路如圖5所示。圖中單片機的P1.0為X5045提供片選信號和看門狗復(fù)位信號，P1.1接收X5045的串行數(shù)據(jù)，外部頻率發(fā)生器提供串行時鐘，P1.2向X5045發(fā)送串行數(shù)據(jù)，X5045的RST引腳輸出看門狗溢出信號，與單片機的RESET引腳相連，用于處理器的復(fù)位。

圖5 看門狗電路

2.2 上位機系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)上位機程序采用Keil C編制[6-12]，由主程序和子程序組成。主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)硬件的初始化，實現(xiàn)預(yù)定功能，維持大棚智能溫濕度控制系統(tǒng)的正常運行。子程序主要實現(xiàn)各個功能，包括溫濕度范圍和時間設(shè)定子程序、LCD顯示子程序、時鐘子程序、溫度采集子程序、濕度采集子程序、PID控制子程序、鍵盤子程序、報警子程序。這里著重介紹一下程序設(shè)計中的難點PID溫度控制子程序。該系統(tǒng)所用的是數(shù)字PID中的增量式PID控制算法，執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量。增量式PID控制算法公式為：

其中，ei為本次差值，ei=設(shè)定值-實際值；ei－1為上次差值；ei－2為上上次差值；k為比例系數(shù)；T為采樣周期；Ti為積分時間；Td為微分時間；T/Ti為積分系數(shù)；Td/T為微分系數(shù)；△Ui為調(diào)節(jié)量。程序流程圖如圖6所示。

圖6 增量式PID控制算法流程

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試安排在遼寧阜新農(nóng)業(yè)示范園區(qū)進(jìn)行，測試時間為2010年12月1日至31日，為期1個月，測試對象是面積為500 m2的番木瓜大棚。溫度控制范圍27～30℃，控制精度±1℃，空氣濕度控制范圍60%～70%，控制精度±2。在大棚的不同區(qū)域懸空設(shè)置了8個溫濕度采集點，每隔1 min進(jìn)行一次溫濕度采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)串口采用485協(xié)議送入MCU，由MCU將每10次采集數(shù)據(jù)取平均值與設(shè)定的溫濕度進(jìn)行比對，如環(huán)境參數(shù)不在設(shè)定值范圍內(nèi)，則由MCU發(fā)出控制指令打開噴灌設(shè)備開關(guān)或調(diào)節(jié)電熱功率。由于實際條件的限制，系統(tǒng)未連接排風(fēng)設(shè)備，短信報警功能也未能測試。

以12月15日為例，說明該智能溫濕度控制系統(tǒng)的使用性能。12月15日遼寧阜新市由于寒流影響，室外氣溫從前一天的7～-10℃，降至-1～-15℃，是系統(tǒng)測試期間室外溫度變化最大的一天，也是測試系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度的最好時間。將該日7∶00～12∶00系統(tǒng)控制并采集的溫濕度的平均值與經(jīng)過ZZ1-635-1型溫濕度計采集的實際溫濕度進(jìn)行對比（見表1），得到測試結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)控制溫濕度范圍一直保持在設(shè)定范圍以內(nèi)，相鄰小時間溫濕度變化較平緩。

（2）溫度最大誤差為-1.8，濕度最大誤差2，達(dá)到系統(tǒng)控制精度±2的要求。系統(tǒng)采集溫濕度普遍低于實際情況，可能是由于溫濕度傳感器內(nèi)部電橋不平衡而引起的誤差。

表1 系統(tǒng)測量值與實際值對比

（3）運行期間系統(tǒng)由于程序跑飛等情況造成看門狗自動重啟9次，平均3 d一次，說明大棚內(nèi)高溫高濕環(huán)境造成控制系統(tǒng)軟硬件故障較多而設(shè)置看門狗保護(hù)電路是必要的，同時在軟件設(shè)計中要注意不要將重要的系統(tǒng)參數(shù)存儲在寄存器中，以避免因系統(tǒng)復(fù)位造成參數(shù)丟失。

4 結(jié) 論

該智能溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計將嵌入式技術(shù)和自動控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度控制中，通過對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計和測試得到結(jié)論如下：

（1）為適應(yīng)溫室大棚高溫、高濕、高腐蝕的環(huán)境，控制系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)盡量采用低成本高穩(wěn)定性的成熟器件。

（2）通過實際測試，大棚內(nèi)空氣溫度和濕度的最大誤差分別為-1.8和2，系統(tǒng)在無人看管情況下自動運行1個月，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性完全達(dá)到了設(shè)計要求，將該設(shè)計應(yīng)用于實際大棚溫濕度監(jiān)控是可行的，能夠為農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)提供保證。

（3）該設(shè)計未涉及現(xiàn)代大棚種植技術(shù)中另外兩個影響因素——二氧化碳濃度和光照，今后，可以在這兩個方面對該系統(tǒng)進(jìn)行研究。

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