经济型智能温室控制系统研究报告

1、-. z经济型智能温室控制系统的研究针对目前国自动控制温室普遍运营本钱较高，经济效益较差的现状，研究节约能源型的温室构造和管理模式己成一个重要开展趋势，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、效率以及本钱等多方面要求之后，选用性价比拟高的数字式温度传感器，实现对温度的准确测量与准确控制。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，为降低本钱，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

2、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构造，通大学的教授们讨论，响应国家的农业开展号召，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，物联网的开展也是未来的开展趋势。 1.1温室环境因子分析温室环境包括非常广泛的容，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

3、温度围为1530，结瓜期要求昼夜温度分别为2530和 1215；黄瓜各个时期适宜相对湿度围为60%85%RH；黄瓜适宜光照强度围 535 kL*。温室环境控制的重点就是对这些要素进展控制与管理，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个局部组成。系统

4、构造总体设计框架如图1所示。图1 温室测控系统构造 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 转换器进展模数转换后送入单片机，与预先设定的上下限值进展比拟，如有越限量，则有发声报警且相应执行机构动作，直至调节至目标围。控制系统根本硬件构造原理如图 2 所示，主要由检测、控制及键盘显示等模块构成。图2 控制系统根本硬件构造电路示意图 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

5、产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片有 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55125 ，储藏温度为65150 ，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

6、需要外部元件，而是共用一条数据线进展通信。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。该电路检测温度围为55125 ，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，动态围大，动态响应快，几乎没有零漂，构造简单，适应性强，最突出的优点是长期稳定性极强，年漂移量 0.5RH/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

7、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 的计数器。器件对于 300700nm 围的紫外线到可见光均具有温度补偿真正参与植物光合作用过程的太阳辐射为 400700nm 波段的光。在 CO2浓度测量上采用响应速度快、测量精度高、技术成熟的红外CO2气体传感器 6004，并配合一系列有效补偿措施。红外线吸收散射式气体传感器灵敏度高，可重复性好，响应快，预热时间短，但价格相对较高。 2.3键盘显示电路按键局部主要实现系统的设

8、置和查询功能。利用键盘，可以方便地设置温湿度预定值并执行相关指令。根据本系统的特点，可根据需求设置相应按键。在单片机应用系统中为了降低本钱，简化硬件电路，大多数采用非编码键盘。键0为参数设置键，键1、键2分别为加l、减1键，键3为复位键。按下键0，持续几秒等待蜂鸣器响可编程设置，表示进入温湿度参数设置状态，此时，按下1键或者2键，显示数值呈现递增或递减，直至到达需要的数值，然后再按下一该键，进入下一个参数的设置，以此类推，最终完成对温度、湿度等值的预置参数设置，当参数都设置完成后，可按下复位键3，则退出设置状态，恢复显示当前温湿度值。为直观显示当前状态或最终结果，本系统选用TC1602 型 L

9、CD 液晶显示器，液晶屏显示模块与数码管相比，它显得更为专业、漂亮。 TC1602 型 LCD 是一种用57点阵图形来显示字符的液晶显示器，显示的容量为2行16个字。 2.4执行机构温室的执行机构可分为两大类，一类是正反转运行电机，如开窗、拉幕等；另一类是开关控制设备，如风机、水泵等。选用固态继电器来控制，执行电路的硬件设计如图3所示图中仅画出一路输出控制电路。该执行电路按要求直接控制风机和加热器等设备，并对超过温、湿度上下限给出报警信号。以P2.3P2.7 控制加热器、风扇、喷淋等设备，P1.7 用于报警。在控制电路中，为防止中间继电器动作对整个装置产生干扰，采用光电藕合器隔离。当温度、湿度

10、及 CO2浓度任何一个参数超过预先设定的围时，单片机控制固态继电器翻开相应的执行机构，补偿相应参数，直到该参数恢复到规定围，则停顿该执行机构的运行。3系统软件设计 3.1主程序设计系统的软件局部采用构造化程序设计思想，将每个功能模块设置为独立的子程序，在主程序运行时，以调用的方式组成程序流，既便于连接和调试，又可以实现软件自诊断，同时也增强了程序的通用性、可移植性，为后续研究开发的系统功能扩展、资源共享的可行性提供了条件。本系统程序均采用汇编语言编写，主要包括主程序设计、采样子程序设计、数据处理程序、显示子程序及串口通信程序等。主程序流程图如图 4 所示。图3 执行机构电路示意 3.2模糊控制

11、器设计温室环境是一个非线性、大时滞、多变量藕合的复杂对象，被控对象的数学模型很难建立，为此，采用模糊控制来解决。模糊控制器构造从控制系统的任务来看，控制系统至少由 4 个子系统组成，分别是光照、温度、湿度以及 CO2浓度控制。本文选取室温度和湿度作为主要被控制量，以加热器、风扇、喷淋、天窗和侧窗等执行机构作为控制手段。系统输入变量为温度误差、湿度误差，输出变量为调节温度和湿度的控制量，控制设备为加热阀、风机、喷淋阀及天/侧窗。因此，本系统采用 2 输入、4 输出构造的模糊控制器，将温湿度误差 e1、e2作为控制器输入，控制器的输出变量分别用 y1、y2、y3、y4表示，模糊控制器构造如图 5

12、所示。图4 主程序流程算法的实现在上位机中对模糊控制表进展优化，然后将其下传至下位机，下位机将传感器检测到的温度与设定值比拟，计算出当前误差和误差变化率，查模糊控制表得相应的控制量，根据该控制量的大小来确定控制设备加热阀、风机、喷淋阀及天/侧窗的工作状态。算法实现主要分以下几个步骤。图5 模糊控制器构造1计算误差。读入由下位机系统结合传感器系统得到的实测数据，与设定值比拟并计算温湿度误差。2模糊化。通过传感器及信号处理后得到的误差是准确值，则，必须将其模糊化变成模糊控制器所能承受的模糊量，同时把语言变量的语言值化为*适当论域上模糊子集。依据温室环境的实际情况和操作经历，选取误差e1、e2、控制

13、量y1、y2、y3、y4的根本论域为-5，5。进展线性化尺度变换和离散化后，得到其模糊论域分别为 *、Y-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6。并选取相应的模糊子集：A=PL，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NL；C=PL，PM，PS，O，NS，NM，NL。式中：PL，PM，PS，PO，NO，NS，NM，NL 分别为正大，正中，正小，正零，负零，负小，负中，负大。3建立模糊控制规则。根据温室环境控制过程的经历可以得出对应控制量的一系列语言规则，分别建立两输入单输出E1，E2，Y1、E1，E2，Y2、E1，E2，Y3、E1，E2，Y4的模糊规则，这样总共得到 25 条模糊规则，如控制规则 1：IfE1=NB and E2=NB Then Y1=PB and Y2=PB and Y3=NB and Y4=NB。控制规则 1 的意义如下：当系统给定温湿度