低成本溫室智能環境監控系統的總體設計

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。作物的生長受到溫度、光照、濕度和二氧化碳等多方面因素的影響，為了促進作物的生長，為其提供適宜的生長環境非常重要，所以需要對溫室內的環境因素進行調節。隨著科學技術的發展出現了溫室智能環境監控系統，通過該系統可以更加準備的掌握作物的生長環境，并及時進行調節，可以實現獲得高產和低耗的目的。本文中設計的溫室智能環境監控系統以單片機為核心，并成功設計了智能溫濕度傳感器及通用智能終端，重點介紹了低成本溫室智能環境監控系統組成模式的設計，繼而實現人機智能對溫室系統的控制。

【關鍵詞】

溫室;監控系統;低成本

我國是一個農業型國家，當前在廣大的農村，溫室農業舉目皆是。近些年來，隨著中國農村和農業經濟發展，農業生產逐步由傳統的粗放型管理方式轉向操作的現代集約化模式，農業科技示范園為示范窗口的現代集約型農業和高新技術應用也正在崛起。開發和研究溫室環境智能監控系統是十分必要的。溫室智能監控系統能夠實現對溫室中濕度、二氧化碳等因子的自動監測及控制。加強控制理論與實際生產相結合，引入智能化的方法及知識工程方法，實現人機智能系統控制也將是未來溫室控制的發展方向。本文以MSP430F499超低功耗單片機為核心，實現了人機智能對溫室系統的控制。低成本溫室環境智能監控系統與國內外同類產品相比在成本上有相當的優勢。其中設計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;驗證了RS-485通信、通用智能終端和智能溫濕度傳感器設計的正確性;使用MSP430F499單片機，充分利用了該單片機的超低功耗特性和豐富的片上系統，大大簡化了硬件電路的設計，降低了功耗，減少了費用，使得低成本設計的實現成為了可能;本系統應用非常廣泛，不但可以應用在溫室環境智能監控系統中，而且還能滿足其它的環境監控系統的要求。

1 溫室環境及其控制概述

作物生長收到溫度的影響，并且溫度是對其影響最重要的環境因素之一，如果作物的生長環境溫度適宜，那么作物可以達到最快的生長速度。溫度控制主要包括兩方面：冬季升溫和夏季降溫。溫室溫度的特點是：以外地區溫室溫度較高和較低的海拔高度和緯度，在時間的晝夜溫度和四個季節的變化，太陽輻射的周期性變化;不均勻性的影響下，冷卻系統和加熱系統的設備布置，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境中傳導的時刻，對流和輻射換熱的方式，再加上它在任何時間將由室內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;在不同生長階段的各種作物的發展對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 本系統濕度控制方案

在試驗溫度控制系統中，采用濕度傳感器來檢測溫度和濕度，檢測結果和相應設定值進行比較，然后再決定是否啟動控濕裝置。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該環境因素影響較大而對其他的環境因素影響最小的調控方案。例如，在夏季強烈的光照和濕度的情況下，由于張開遮陽網對濕度的影響比較小，故而只需要張開內或外遮陽網遮陽。

在冬天夜間和陰雨季節，當光照的強度低于光的補償點時候，需要進行人工補光。常用的溫室補光裝置主要有：金屬鹵化物燈、高壓水銀燈、白熾燈熒光燈、鹵燈等光源。對溫室中作物的光照時間和光照度進行控制和調節非常有必要。在冬天的夜晚和雨季時，當光照的強度低于光的補償點時候，為促進作物的生長需要進行人工補光。可以通過設定的值來控制光照。

3 低成本溫室智能環境監控系統組成模式

3.1 組成模式一

該模式使用上位PC機和通用智能終端做下位機組成監控系統，其系統組成框圖如圖1。

3.2 組成模式二

該模式組成的監控系統主要包括兩部分，分為為上位計算機和智能溫濕度傳感器，這兩部分組成的監控系統的組成框圖如圖2所示。

3.3 組成模式三

該模式采用通用上位PC機與智能終端、溫濕度智能傳感器做下位機組成的監控系統，其系統組成框圖如圖3。

4 通用智能終端

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

該系統的溫度控制系統是被溫度傳感器檢測，根據室外氣象條件和室內溫度，與設定值比較，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溫度差的大小，決定暖風機的啟動時間，溫度差異大，激活時間就會較長。夏天控制冷卻是運用遞階控制，當開始第一階段的控制措施仍達不到規定的要求時，才會啟動高一級的控制措施。冷卻控制由高到低依次為：濕簾風機系統降溫;遮陽網開放;強制通風冷卻（當晴天遮陽網強制通風前開）;天窗，側窗打開，自然通風冷卻。

【參考文獻】

[1]鄧璐娟，馮巧玲，李淑君等.智能溫室環境控制的研究現狀與發展方向[J].鄭州：鄭州輕工業學院學報（自然科學版）.2003：4.

[2]鄧建軍，徐立鴻，吳啟迪.溫室環境控制的特點及其系統組成[J].北京：農業工程學報.1995，14（增刊）：5.