低成本溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

白光前

【文章摘要】

冬季由于室外溫度較低，所以作物一般在溫室中生長(zhǎng)。作物的生長(zhǎng)受到溫度、光照、濕度和二氧化碳等多方面因素的影響，為了促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，為其提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境非常重要，所以需要對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以更加準(zhǔn)備的掌握作物的生長(zhǎng)環(huán)境，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)獲得高產(chǎn)和低耗的目的。本文中設(shè)計(jì)的溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，并成功設(shè)計(jì)了智能溫濕度傳感器及通用智能終端，重點(diǎn)介紹了低成本溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成模式的設(shè)計(jì)，繼而實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能對(duì)溫室系統(tǒng)的控制。

【關(guān)鍵詞】

溫室;監(jiān)控系統(tǒng);低成本

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)型國(guó)家，當(dāng)前在廣大的農(nóng)村，溫室農(nóng)業(yè)舉目皆是。近些年來(lái)，隨著中國(guó)農(nóng)村和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步由傳統(tǒng)的粗放型管理方式轉(zhuǎn)向操作的現(xiàn)代集約化模式，農(nóng)業(yè)科技示范園為示范窗口的現(xiàn)代集約型農(nóng)業(yè)和高新技術(shù)應(yīng)用也正在崛起。開發(fā)和研究溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室中濕度、二氧化碳等因子的自動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制。加強(qiáng)控制理論與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，引入智能化的方法及知識(shí)工程方法，實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能系統(tǒng)控制也將是未來(lái)溫室控制的發(fā)展方向。本文以MSP430F499超低功耗單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)智能對(duì)溫室系統(tǒng)的控制。低成本溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相比在成本上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。其中設(shè)計(jì)了智能溫濕度傳感器的硬件、軟件與算法，通用智能終端的硬件與軟件;驗(yàn)證了RS-485通信、通用智能終端和智能溫濕度傳感器設(shè)計(jì)的正確性;使用MSP430F499單片機(jī)，充分利用了該單片機(jī)的超低功耗特性和豐富的片上系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，降低了功耗，減少了費(fèi)用，使得低成本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)成為了可能;本系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，不但可以應(yīng)用在溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)中，而且還能滿足其它的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

1 溫室環(huán)境及其控制概述

作物生長(zhǎng)收到溫度的影響，并且溫度是對(duì)其影響最重要的環(huán)境因素之一，如果作物的生長(zhǎng)環(huán)境溫度適宜，那么作物可以達(dá)到最快的生長(zhǎng)速度。溫度控制主要包括兩方面：冬季升溫和夏季降溫。溫室溫度的特點(diǎn)是：以外地區(qū)溫室溫度較高和較低的海拔高度和緯度，在時(shí)間的晝夜溫度和四個(gè)季節(jié)的變化，太陽(yáng)輻射的周期性變化;不均勻性的影響下，冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的設(shè)備布置，室外的天氣和溫室的不均勻空間分布的因素;由于溫室及其周邊環(huán)境中傳導(dǎo)的時(shí)刻，對(duì)流和輻射換熱的方式，再加上它在任何時(shí)間將由室內(nèi)和室外的諸多干擾因素的影響，熱源和熱輻射具有很大的不確定性;在不同生長(zhǎng)階段的各種作物的發(fā)展對(duì)溫度的要求也不相同的;溫室溫度的變化是緩慢和延遲的。

2 本系統(tǒng)濕度控制方案

在試驗(yàn)溫度控制系統(tǒng)中，采用濕度傳感器來(lái)檢測(cè)溫度和濕度，檢測(cè)結(jié)果和相應(yīng)設(shè)定值進(jìn)行比較，然后再?zèng)Q定是否啟動(dòng)控濕裝置。由于溫度控制和濕度控制具有一定的耦合性，所以溫室的控制中嘗試使用的一些對(duì)該環(huán)境因素影響較大而對(duì)其他的環(huán)境因素影響最小的調(diào)控方案。例如，在夏季強(qiáng)烈的光照和濕度的情況下，由于張開遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)濕度的影響比較小，故而只需要張開內(nèi)或外遮陽(yáng)網(wǎng)遮陽(yáng)。

在冬天夜間和陰雨季節(jié)，當(dāng)光照的強(qiáng)度低于光的補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)候，需要進(jìn)行人工補(bǔ)光。常用的溫室補(bǔ)光裝置主要有：金屬鹵化物燈、高壓水銀燈、白熾燈熒光燈、鹵燈等光源。對(duì)溫室中作物的光照時(shí)間和光照度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)非常有必要。在冬天的夜晚和雨季時(shí)，當(dāng)光照的強(qiáng)度低于光的補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)候，為促進(jìn)作物的生長(zhǎng)需要進(jìn)行人工補(bǔ)光?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)定的值來(lái)控制光照。

3 低成本溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成模式

3.1 組成模式一

該模式使用上位PC機(jī)和通用智能終端做下位機(jī)組成監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖如圖1。

3.2 組成模式二

該模式組成的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩部分，分為為上位計(jì)算機(jī)和智能溫濕度傳感器，這兩部分組成的監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

3.3 組成模式三

該模式采用通用上位PC機(jī)與智能終端、溫濕度智能傳感器做下位機(jī)組成的監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖如圖3。

4 通用智能終端

通用智能終端的控制器為單片機(jī)MSP430，具有8路開關(guān)量輸入、8路模擬量輸入及路開關(guān)量輸出。其原理框圖如圖4-1所示。

該系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)是被溫度傳感器檢測(cè)，根據(jù)室外氣象條件和室內(nèi)溫度，與設(shè)定值比較，決定降、升溫的方法和激活控制裝置。冬季提高溫度控制是根據(jù)溫度差的大小，決定暖風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，溫度差異大，激活時(shí)間就會(huì)較長(zhǎng)。夏天控制冷卻是運(yùn)用遞階控制，當(dāng)開始第一階段的控制措施仍達(dá)不到規(guī)定的要求時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)高一級(jí)的控制措施。冷卻控制由高到低依次為：濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)降溫;遮陽(yáng)網(wǎng)開放;強(qiáng)制通風(fēng)冷卻（當(dāng)晴天遮陽(yáng)網(wǎng)強(qiáng)制通風(fēng)前開）;天窗，側(cè)窗打開，自然通風(fēng)冷卻。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄧璐娟，馮巧玲，李淑君等.智能溫室環(huán)境控制的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].鄭州：鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2003：4.

[2]鄧建軍，徐立鴻，吳啟迪.溫室環(huán)境控制的特點(diǎn)及其系統(tǒng)組成[J].北京：農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).1995，14（增刊）：5.