基于太陽能技術的智能溫室控制系統的設計

王洪東，陳 超，呂曉雪，孫立峰

（1.新疆生產建設兵團阿拉爾棉花檢驗測試中心，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆生產建設兵團阿拉爾纖維檢驗所，新疆 阿拉爾 843300；3.塔里木大學機械工程學院，新疆 阿拉爾 43300）

1 設計依據及總體設計思路

南疆地區自然氣候環境惡劣，蔬菜等農產品緊缺，發展智能溫室能加速農產品的生產，解決南疆蔬菜緊缺的問題，智能溫度也是農業設施發展的方向。目前，南疆的農業設施主要以塑料大棚為主，智能溫室應用較少。從南疆農業設施的應用情況來看，塑料大棚的控制精度較低，農作物的產出量較低；農業設施內部的作業還大多依靠人力操作，溫棚的人工作業量較大，溫棚的自動化控制程度較低。南疆日照條件充足，晝夜溫差大，年日照時間在4000小時以上，具有優質的太陽能發電條件，利用太陽能對溫室進行供電，可解決南疆偏遠地區供電網絡較少的問題。

太陽能電池板一般選用晶體硅電池，對于新型的薄膜太陽能電池使用較少，薄膜太陽能電池具有結構輕巧，形式變化多樣，適用于溫室頂部的安排與設計。根據南疆的氣候特點與溫室結構，利用薄膜太陽能電池板材料，將溫室的日光照射面安裝薄膜太陽能電池板，通過與薄膜太陽能光伏發電裝置的連接，形成一套薄膜太陽能光伏發電系統。利用發電系統可用來解決溫室能源的動力供給?？傮w的設計框圖如圖1所示。

圖1 太陽能供電系統的溫室總體設計框圖

薄膜太陽能電池板適合各種彎曲面形狀，將薄膜太陽能電池板安裝在溫頂層，用來吸收太陽能源，太陽能源轉化為電能后，通過充電電路對太陽能畜電池組進行充電，控制電路用來總體控制太陽能的充電與放電過程，檢測畜電池組的電量大小等。放電電路與溫室供電系統連接，用來提供溫室溫度、濕度控制系統的電能。

2 太陽能發電系統設計

（1）太陽能電池板的選擇。智能溫室的主要負載為加熱系統與濕度控制系統，按南疆地區溫室控制標準，溫室面積在50m2，每平方米需使用電加熱器功率為20W，則加熱系統功率為1kW。濕度控制主要為儀表設備，功率較小，整個智能溫室的功率按4kW計算，有效使用時間為12小時，則太陽能發電系統的輸出功率為4kW。由太陽能發電系統的輸出功率，可進行薄膜電池面積計算：

式中，A為薄膜電池的有效使用面積；P為太陽能發電系統的輸出功率；S為太陽能幅射強度（南疆地區平均為3.94kW/m2）；θ為太陽能在薄膜電池上的作用角度（取值為90度）；η為薄膜電池陣列的效率（漢能薄膜電池轉化效率為13%）；F為太陽能系統綜合效率（取值0.92）。本設計中采用漢能薄膜PIN型三結非晶硅鍺疊層電池，通過計算可得薄膜電池總使用面積為26m2。

（2）畜電池組的設計。根據溫室工作條件，工作電壓為220V，蓄電池放電電流為12A，則蓄電池容量Q為：

式中，T為工作時間（h）；UL為負載工作電壓（V）。則蓄電池容量計算為255A·h。

（3）逆變器的選擇。薄膜太陽能電池的轉換效率較低，逆變器的作用是將蓄電池組的電量通過逆變成可供用戶直接使用的交流電源，逆變器是提高太陽能發電裝置輸出功率的關鍵。綜合蓄電池組的供電能力，選用華為生產的SUN1000-8 TL型的逆變器，其額定功率為4.8kW，帶有欠壓與過壓保護，同時帶有自動跟蹤MPPT（最大功率點）的功能，能滿足溫室系統的需要。

3 智能溫室控制系統設計

智能溫室的控制包括對溫室內部的溫濕度控制，以保證溫室內部植物生長在最佳的生長環境。南疆溫室的溫度控制范圍一般為20℃~28℃，濕度范圍為50%~60%，控制精度為±2℃。根據設計要求，同時考慮對太陽能系統的供電控制，選用ATMEL公司生產的AT89S52單片機，在性能上，AT89S52單片機是一種具的低功耗、高性能、功能多等特點的CMOS8位單片機，完全滿足智能溫室控制系統的要求。單片機硬件系統的核心元件設計如圖2所示。圖2中，AT89S52單片機的P0.0-P0.7口作為溫濕度信號采集端口，與采集模塊ADC0809N連接，溫濕度傳感器通過采集模塊向單片機傳輸實時信號。P1.0-P1.7口作為溫濕度信號的顯示端口，P2.0-P2.7口作為溫室各類設備的控制端口，主要控制加熱器、風機、濕度控制器等設備。智能溫室的控制設計中，溫度與濕度信號的檢測精度與溫室溫濕度的準確控制密切相關，結合單片機系統，選擇美國DFrobot公司生產的DHT11型溫濕度傳感器。DHT11芯片自帶A/D轉換模塊，輸出管腳為4，其中1腳接電源VCC，2腳接上拉電阻，3腳與4腳為信號輸出管腳。DHT11接入電源范圍為DC3-5.5V，濕度測量值范圍在20%~100%RH之間，測量精度為±5%RH；溫度測量范圍為0~50℃，測量精度為±2℃。

圖2 智能溫室單片機控制系統核心元件圖

4 系統軟件設計

系統的軟件設計包括對溫室內部各控制參數的處理、外部信號的顯示與處理以及太陽能發電裝置的充電控制。軟件采用Keil CV7.06軟件進行程序的編制，編制完成后利用Proteus7.11仿真器進行仿真分析，從而得到最優的軟件系統。軟件設計中，溫室內部的溫濕度控制是設計的重點內容，其程序流程圖如圖3所示。當系統開機后，單片機對程序進行初始化，查詢P0.0-P0.7的接收狀態，接收到安裝在溫室內部的各個溫濕度傳感器實際值。對實際值進行讀取后，進行A/D轉換，同時導入溫濕度控制的目標值，采用PID算法，對實際值與目標值之間進行不斷比較，輸出最終的控制信號，直至溫室內部參數在目標值的控制范圍內變化。同時，軟件系統還設計有溫室度實時顯示與報警、太陽能充電狀態顯示、加熱器與濕度控制器的PID調節等功能。

圖3 程序流程圖

5 結語

通過應用太陽能發電技術，對南疆溫室進行了智能化設計，結合試驗，驗證了設計的可行性。

（1）薄膜太陽能發電裝置適合作為農業設施的供電電源，設計時應充分考慮發電量與電能利用效率，通過試驗表明，在發電時間段內，發電量變化均勻，通過穩壓等電路處理，逆變后的電流波形穩定，能滿足溫室系統的使用。

（2）溫室的控制主要以溫度與濕度控制為主，通過試驗，結果表明單片機控制的溫濕度系統對參數的控制穩定，溫室的溫度能穩定在25℃~28℃之間，濕度值保持在50%~60%之間，滿足作物的生長條件。

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