溫室大棚智能溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，人們的生活水平也在不斷地提高，對(duì)各種反季節(jié)蔬菜的需求量越來(lái)越大。反季節(jié)蔬菜的種植，主要借助溫室大棚為蔬菜生長(zhǎng)提供一個(gè)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(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)不及時(shí)、不準(zhǔn)確等問(wèn)題，不僅影響蔬菜正常生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)造成人力資源的浪費(fèi)[2]。因此，需要一種能對(duì)大棚溫濕度檢測(cè)有足夠精度，并能實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)來(lái)代替人工操作，同時(shí)盡可能有較低成本。

根據(jù)以上要求，筆者針對(duì)溫室大棚的分布和各種作物生長(zhǎng)的特點(diǎn)，采用PID算法設(shè)計(jì)了一套溫濕度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集、處理并實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長(zhǎng)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(jiǎn)單、容錯(cuò)能力強(qiáng)且容易擴(kuò)展，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

溫室大棚的溫濕度控制系統(tǒng)首先是一個(gè)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，需要傳感器的各種測(cè)量數(shù)據(jù)能及時(shí)的顯示，同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)又是一個(gè)多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，需要在不同的點(diǎn)布置傳感器，這些傳感器要通過(guò)總線連接，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。從總體上講，分為上位機(jī)和下位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)是總的控制和顯示系統(tǒng)，其通過(guò)可擴(kuò)展的總線和RS-485與物理上分布在不同位置的第二級(jí)下位機(jī)系統(tǒng)（包括各種傳感器的感應(yīng)模塊）連接。系統(tǒng)在即時(shí)性、可靠性、安全性等方面都有特定的要求，其要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下：（1）對(duì)大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，測(cè)量棚內(nèi)多個(gè)均勻分布點(diǎn)的溫濕度，由溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度采集，MCU對(duì)各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、傳輸。（2）超限數(shù)據(jù)報(bào)警。（3）通信系統(tǒng)應(yīng)有較高的可靠性、較好的實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)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(cè)量溫度范圍為-20～100℃；測(cè)量溫度精度±0.1；測(cè)量濕度范圍 0～100%；測(cè)量濕度精度±2.5。

硬件方面采用模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)模塊只實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定功能，最后再將各個(gè)模塊搭接在一起。這種設(shè)計(jì)方法可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。系統(tǒng)硬件電路由溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)、LCD顯示、溫濕度控制、報(bào)警模塊、看門(mén)狗、鍵盤(pán)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(jì)

2.1 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 MCU 該系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為整個(gè)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(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件，一個(gè)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。每個(gè)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(jì)為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中，在校正的過(guò)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(jiǎn)單。單路SHT10傳感器連接如圖2。

圖2 單路SHT10連接

2.1.3 鍵 盤(pán) 為了滿足使用需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)6鍵的鍵盤(pán)，從鍵盤(pán)可以輸入測(cè)量溫度和濕度的上下限以及灌溉時(shí)間，此鍵盤(pán)操作簡(jiǎn)單靈活，易于上手。其中5個(gè)引腳分別與單片機(jī)上的5個(gè)端口相連，并有一個(gè)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(shí)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(jì)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(diǎn)接通，交流接觸器1線圈得電，接通水泵電機(jī)，開(kāi)始澆水，直到指定濕度；當(dāng)檢測(cè)的空氣濕度超過(guò)設(shè)定值，P1.6輸出高電平，反向后為低電平，SSR2交流觸點(diǎn)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(duì)溫室大棚內(nèi)部的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。該模塊硬件部分由過(guò)零檢測(cè)電路和PID控制電路兩部分組成，具體電路圖4所示。過(guò)零檢測(cè)電路由D1～D4這個(gè)二極管組成，當(dāng)交流電通過(guò)零點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)外部中斷0，提供加熱的同步處理信號(hào)。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(jī)送來(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)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(mén)狗保護(hù)電路 針對(duì)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)會(huì)因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境復(fù)雜而出現(xiàn)程序跑飛的問(wèn)題，專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)看門(mén)狗保護(hù)電路。看門(mén)狗定時(shí)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)楦唠娖剑幚砥鲃t被復(fù)位。硬件電路如圖5所示。圖中單片機(jī)的P1.0為X5045提供片選信號(hào)和看門(mén)狗復(fù)位信號(hào)，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(shí)鐘，P1.2向X5045發(fā)送串行數(shù)據(jù)，X5045的RST引腳輸出看門(mén)狗溢出信號(hào)，與單片機(jī)的RESET引腳相連，用于處理器的復(fù)位。

圖5 看門(mén)狗電路

2.2 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)上位機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的初始化，實(shí)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(yùn)行。子程序主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，包括溫濕度范圍和時(shí)間設(shè)定子程序、LCD顯示子程序、時(shí)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(pán)子程序、報(bào)警子程序。這里著重介紹一下程序設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)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(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)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(shí)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(shí)間；Td為微分時(shí)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(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試安排在遼寧阜新農(nóng)業(yè)示范園區(qū)進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間為2010年12月1日至31日，為期1個(gè)月，測(cè)試對(duì)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(gè)溫濕度采集點(diǎn)，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(duì)，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(kāi)噴灌設(shè)備開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)電熱功率。由于實(shí)際條件的限制，系統(tǒng)未連接排風(fēng)設(shè)備，短信報(bào)警功能也未能測(cè)試。

以12月15日為例，說(shuō)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(cè)試期間室外溫度變化最大的一天，也是測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度的最好時(shí)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(guò)ZZ1-635-1型溫濕度計(jì)采集的實(shí)際溫濕度進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表1），得到測(cè)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(shí)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(shí)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(cè)量值與實(shí)際值對(duì)比

（3）運(yùn)行期間系統(tǒng)由于程序跑飛等情況造成看門(mén)狗自動(dòng)重啟9次，平均3 d一次，說(shuō)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(mén)狗保護(hù)電路是必要的，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中要注意不要將重要的系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)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(jì)將嵌入式技術(shù)和自動(dòng)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(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和測(cè)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(jì)中應(yīng)盡量采用低成本高穩(wěn)定性的成熟器件。

（2）通過(guò)實(shí)際測(cè)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(wú)人看管情況下自動(dòng)運(yùn)行1個(gè)月，測(cè)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(jì)要求，將該設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際大棚溫濕度監(jiān)控是可行的，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)提供保證。

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

[1]農(nóng)業(yè)部.農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2007-2015）[R].中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部，2007.

[2]彭桂蘭，張學(xué)軍.溫室環(huán)境計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2002，（5）：9-11.

[3]陳義和.例說(shuō)8051[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4]唐林林.蔬菜大棚的智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

[5]李 昕，曲夢(mèng)可，榮 譽(yù).基于MSP430單片機(jī)的模糊溫濕度控制器的設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（4）：805-808.

[6]張立輝，李君興，王 剛.基于虛擬儀器的溫室環(huán)境無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，（32）：18593-18593，18613.

[7]謝 琪，田緒紅，田金梅.基于RFID的養(yǎng)豬管理與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，（12）：204-206.

[8]張新榮.基于模糊控制的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，（26）：14761-14763.

[9]唐義鋒，陳新華，馮輝等.溫室環(huán)境監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，（19）：146-148，151.

[10]張勁松，楊鳳英，潘萬(wàn)平，等.基于組態(tài)的無(wú)線節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41（9）：137-142.

[11]蔡 鑌，畢慶生，李福超，等.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) [J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，（11）：80-82.

[12]何成平，龔益民，林 偉.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，（8）：4370-4372.