智能化溫室自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

蘇遠鋒

摘 要：設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分是溫室，而溫室智能控制系統(tǒng)是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學(xué)化的根本保證。大棚內(nèi)的環(huán)境由溫度、濕度、二氧化碳濃度等多種因子構(gòu)成，溫室智能控制系統(tǒng)可以做到溫濕度檢測、實時顯示、信息存儲及實時控制等功能，為提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對這一系統(tǒng)的研究就顯得更加重要了。本系統(tǒng)采用層次化、模塊化設(shè)計，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)集于一身。系統(tǒng)以單片機為核心，通過分析濕度、溫度傳感器所獲數(shù)據(jù)，并結(jié)合作物自身的成長規(guī)律來控制其環(huán)境條件。這樣既能對作物生長狀態(tài)進行全面、實時、長期的監(jiān)測，又能對溫室環(huán)境的溫濕度實時智能控制，從而使作物能夠在各種環(huán)境中都可以更好的生長，達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：溫室；智能控制系統(tǒng)；功能；模塊化設(shè)計；單片機

中圖分類號：S625.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）26-0026-03

1 緒 論

1.1 選題的背景和意義

現(xiàn)代溫室極大地促進了設(shè)施農(nóng)業(yè)的總體發(fā)展水平。隨著大棚技術(shù)遍及范圍越來越廣，大棚數(shù)量也不斷增多，因此如何更好地控制大棚內(nèi)的環(huán)境便成為人們喜歡研究的一個新課題。傳統(tǒng)的溫度控制方法是把溫度計掛在溫室大棚內(nèi)來獲取里面的實際溫度，而后依據(jù)測得的溫度與標(biāo)準溫度相比較，看溫度是否合適。這種方法不但必須人工來完成，而且效率也很低。況且照目前的實際情況，傳統(tǒng)的溫度控制方法就更加不可行。這些問題致使我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益很低，因此，智能化溫室控制系統(tǒng)的研究顯得至關(guān)重要。它能在生產(chǎn)成本很低的情況下給作物生長創(chuàng)造一個最佳的環(huán)境條件，有利于我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

溫室栽培技術(shù)起源于我國，但我國的溫室技術(shù)發(fā)展非常緩慢，到20世紀60年代仍然處在很低的生產(chǎn)水平。傳統(tǒng)溫室以塑料大棚、日光溫室為主，這類溫室成本低效益好，但設(shè)備相對簡陋、環(huán)境調(diào)控能力差。

隨著單片機技術(shù)和傳感器的發(fā)展，逐步興起了一種有利于資源節(jié)約的高效設(shè)施技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)。特別是隨著20世紀70年代微型計算機的誕生，更使溫室環(huán)境控制技術(shù)有了天翻地覆的變化。至20世紀80年代，以微型計算機為核心的溫室智能控制系統(tǒng)在國外一些國家已經(jīng)向完全自動化、無人化的方向發(fā)展。

總之，我國的智能溫室控制系統(tǒng)研發(fā)較晚，全面的環(huán)境控制技術(shù)研發(fā)才剛開始。同國外先進化的水平比較，還滯留在初級階段。

1.3 主要的研究內(nèi)容

本設(shè)計主要完成了三方面的工作：

①確定整體的設(shè)計方案；

②是設(shè)計傳感器的軟硬件系統(tǒng)；

③是設(shè)計單片機及通信接口。

本文針對溫室內(nèi)存在的諸多相互影響和制約的因素，設(shè)計出了基于單片機AT89S52的智能化溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了信息采集技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息存儲技術(shù)及信息處理技術(shù)，可以對農(nóng)作物的生長情況做到全面、實時監(jiān)測，實現(xiàn)了溫室環(huán)境檢測智能化。

2 智能化溫室控制系統(tǒng)的整體設(shè)計及相關(guān)技術(shù)研究

在外界環(huán)境中，溫度作為影響植物生長環(huán)境的主要因素，植物在在生長過程中的一切生物化學(xué)作用，都應(yīng)該在適宜溫度條件下進行，溫度因素在空間上隨著緯度和海拔的變化而變化，在時間上會由于四季及晝夜的改變而變化，不同品種的農(nóng)作物對環(huán)境溫度的要求也有所不同，相同品種處在不同生長階段農(nóng)作物對溫度亦有不同的要求，因而智能化溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計就顯得尤為重要。

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

智能化溫室控制系統(tǒng)的主要功能有以下幾方面：

①首先系統(tǒng)要實現(xiàn)對室內(nèi)溫度參數(shù)的實時采集；

②系統(tǒng)采用RS-232串行通訊方式，使得通信系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈敏度、較好的實時性和較強的抗干擾能力；

③系統(tǒng)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)存儲、遠程通信等功能；

④在溫度超限時實現(xiàn)報警；

⑤系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長時間測量數(shù)據(jù)并記錄。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證系統(tǒng)具有可靠性、易于操作、高性價比等優(yōu)點。

2.2.1 可靠性

在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)的可靠性是實際應(yīng)用的前提，設(shè)計時提高系統(tǒng)的可靠性一般從以下幾個方面著手：選用性能較好的元器件；在設(shè)計電路板時不要胡亂布線且接地處設(shè)計要合理；要在容易受干擾的地方采取適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施來保證系統(tǒng)的可靠性。

2.2.2 易于操作

系統(tǒng)操作和維護方便在設(shè)計系統(tǒng)時，應(yīng)想辦法盡量將復(fù)雜的操作內(nèi)置化，這樣能方便不同階層的人使用。

2.2.3 高性價比

系統(tǒng)控制芯片為單片機，單片機不僅體積小、功耗低，其最大的優(yōu)勢是其性價比高。性價比是決定單片機是否能夠廣泛使用的一個極為關(guān)鍵的因素。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計方案

溫室控制系統(tǒng)單片機為控制核心，其中測量溫度采用DS18B20溫度傳感器作為測量元件，構(gòu)成了智能溫度控制系統(tǒng)。溫室控制系統(tǒng)具有溫度測量電路、數(shù)據(jù)的存儲及顯示電路，語音報警電路等。系統(tǒng)設(shè)計方案，如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)是以單片機為核心，它可以完成溫濕度的采集、處理、顯示并自動控制等功能。其硬件電路由溫濕度傳感器、RS-232串口通信、單片機和計算機三部分構(gòu)成。單片機通過對溫度傳感器DS18B20進行編程來獲取溫度值，并將數(shù)值通過串口通信傳送給計算機。

計算機主要是進行編程，控制溫度的顯示和報警等。經(jīng)過綜合考慮，最終我們選用AT89S52為微處理器。

DS18B20的測溫原理，如圖2所示。

4 軟件設(shè)計

能化溫室控制系統(tǒng)的整體功能的實現(xiàn)是在程序的控制下完成的，溫室控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，溫室控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計與硬件設(shè)計思想一致，系統(tǒng)針對不同的功能將系統(tǒng)分成各種不同的程序模塊，并對其分別進行編程、修改與調(diào)試，系統(tǒng)通過主程序、中斷處理程序來實現(xiàn)對各程序模塊調(diào)用，最終其連接起來完成整個智能化溫室系統(tǒng)的功能。

軟件部分采用程序模塊化的方法將程序分為幾個程序模塊，然后針對每個模塊分別設(shè)計程序，使各模塊結(jié)合起來實現(xiàn)協(xié)調(diào)工作，最終實現(xiàn)對溫室中溫度的實時控制。智能化溫室控制系統(tǒng)由多個獨立的子程序構(gòu)成，各個子程序之間通過軟件接口相連，這樣既便于連接、調(diào)試，也便于修改和移植。智能化溫室控制系統(tǒng)的軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的處理運算、實現(xiàn)通信聯(lián)機、實時數(shù)據(jù)顯示和采集，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、語音報警等。智能化溫室控制系統(tǒng)測控軟件主要與硬件系統(tǒng)相結(jié)合，共同完成對系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的實時采樣、實時處理數(shù)據(jù)以及與PC或移動終端通信等功能， 軟件系統(tǒng)也能夠根據(jù)模塊程序自動將結(jié)果與設(shè)定的閥門報警值進行比較， 若檢測的值超過設(shè)定的閥門值， 系統(tǒng)將啟動報警電路報警。

主程序模塊的主要功能是調(diào)用各種數(shù)據(jù)處理子程序和實現(xiàn)智能化溫室控制系統(tǒng)的自檢功能，通過主程序?qū)ψ映潭鹊恼{(diào)用來實現(xiàn)打開濕簾泵、啟風(fēng)機和關(guān)閉遮陽網(wǎng)等降低溫度措施。在溫度低于程序?qū)厥铱刂葡到y(tǒng)設(shè)定值后，通過主程序?qū)ψ映潭鹊恼{(diào)用來實現(xiàn)打開遮陽網(wǎng)和補光燈等措施。這樣就使得各程序模塊有清晰架構(gòu)，無論是維護還是修改都非常便捷。主程序程序框圖，如圖3所示。

5 仿真與調(diào)試

繪制完電路圖后，需要Keil已編譯寫好的AT89S52的設(shè)計程序，將鼠標(biāo)移動至AT89S52 芯片上，雙擊即可完成程序的添加。當(dāng)雙擊時，會進入一個設(shè)置的對話框，在對話框中可以設(shè)置單片機系統(tǒng)的晶振頻率，在這同時可以設(shè)置輸入程序的路徑，單擊OK鍵就能夠完成輸入設(shè)置，并將已編譯好的程序添加到AT89S52中，當(dāng)再回到Proteus設(shè)計電路界面時，左鍵點擊位于Proteus主界面左下方的開始按鈕，這樣就可以進行電路仿真。Proteus實現(xiàn)的是交互式仿真，在仿真進程中能夠根據(jù)系統(tǒng)的需要操作各開關(guān)、控制按鈕等器件，系統(tǒng)會真實地反映出仿真結(jié)果。在仿真開始后，通過程序編譯來設(shè)置上下限溫度，當(dāng)溫度值超出或低于所設(shè)定的范圍時，就會啟動報警系統(tǒng)。

設(shè)置溫度上限為25 ℃，溫度下限為10 ℃，如圖4所示，此時溫度是43 ℃，高于上限溫度，此時啟動報警系統(tǒng)，看到警燈亮報警。

6 結(jié) 語

本文針對溫室大棚測控系統(tǒng)的研究，運用了單片機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和自動化等專業(yè)知識。在設(shè)計和開發(fā)的過程中，綜合目前一些先進的測控理念并緊密結(jié)合溫室大棚的實際情況。本文遵循系統(tǒng)的需求，進行總體分析與設(shè)計、模塊化設(shè)計、詳細設(shè)計，并對系統(tǒng)的可靠性和抗干擾進行了設(shè)計。

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