基于光伏供電的溫室智能控制系統(tǒng)設(shè)計

秦 棟，李志強，黃 毅，田爍杰，王玉棟，任 玲

（石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000）

0 引言

溫室作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要產(chǎn)物，受到農(nóng)民的熱烈歡迎。近幾年，隨著科技的蓬勃發(fā)展和智慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，溫室大棚對其自動化、智能化的要求越來越高[1]。但國內(nèi)溫室大棚技術(shù)較國外起步較晚，技術(shù)發(fā)展較慢，機械化、自動化程度較低。據(jù)調(diào)研，我國目前大部分地區(qū)溫室智能化水平較低，且存在數(shù)據(jù)檢測不精確，灌溉、遮陽、通風(fēng)等大多依靠人工，測控精度低且不及時，勞動強度大，成本高的情況，單靠人工遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。

因此，針對目前國內(nèi)普遍的溫室大棚生產(chǎn)種植情況, 本文設(shè)計了一種基于單片機的綜合測控系統(tǒng)，實時監(jiān)測溫室內(nèi)的部分參數(shù)，滿足溫室作物生長的需求[2]，改變種植“經(jīng)驗論”，提高產(chǎn)量。

1 總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計是基于單片機的溫室智能控制系統(tǒng)，對溫室大棚進行實時監(jiān)測調(diào)控，同時采用光伏技術(shù)為單片機主控單元的工作提供能源。本設(shè)計主要的組成部分有主控單元模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機交互模塊及執(zhí)行模塊。主控單元模塊采用STC89C51 單片機主控單元芯片對采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理、比較、判斷；電源模塊采用分布式光伏發(fā)電技術(shù)為系統(tǒng)的主控單元模塊的工作提供電能；數(shù)據(jù)采集模塊用多種傳感器實時檢測溫室內(nèi)的參數(shù)[2]；人機交互模塊采用LCD1602 液晶顯示屏、鍵盤及報警單元實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)顯示、設(shè)定值的輸入及警示；執(zhí)行模塊采用繼電器、電磁閥或彩燈代替實際執(zhí)行機構(gòu)，進行模擬測試。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理

首先傳感器采集各種參數(shù)，發(fā)送給89C51 主控單元模塊進行分析、處理、比較和判斷，得到修正量數(shù)據(jù)，驅(qū)動的繼電器控制相應(yīng)的電磁閥或電機工作，調(diào)控溫濕度等參數(shù)達到設(shè)定值左右，實現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的調(diào)控[3]，同時將溫室內(nèi)的幾種基本環(huán)境參數(shù)實時顯示在大棚內(nèi)的顯示屏上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

本設(shè)計利用自動控制的原理，調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的各項參數(shù)，以此實現(xiàn)提供作物優(yōu)良的環(huán)境來生長。在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，可以完成參數(shù)的采集工作以及處理顯示工作，向單片機內(nèi)傳入空氣中的光照強度、二氧化碳濃度以及土壤的溫濕度等參數(shù)，然后與設(shè)定值進行分析比對，發(fā)布指令驅(qū)動執(zhí)行模塊對偏移量進行修正，使大棚各種參數(shù)始終在適合作物生長的范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 采集模塊

2.1.1 溫濕度采集模塊

本設(shè)計采用的溫濕度傳感器的型號為DHT11，其溫濕度測量范圍適宜，輸出為數(shù)字量信號值，并且其內(nèi)部的量程標(biāo)定已校準(zhǔn)。其數(shù)據(jù)輸出口與單片機P2．2 口相接。

2.1.2 光照強度采集模塊

選擇光敏電阻來測量光照強度，入射光越強，電阻越?。环粗娮柙酱?。在本設(shè)計中，在光敏電阻支路中還需串聯(lián)一個10 千歐的電阻起限流保護的作用，VCC 接+5 V 電源。再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換模塊將光敏電阻輸出的信號變?yōu)閿?shù)字信號之后與單片機P1．1 口連接，再由單片機讀取處理，劃分相應(yīng)的光照等級。

因為系統(tǒng)采樣的數(shù)據(jù)僅為一個電壓值，對采樣速率沒有太高的要求，而且串行ADC 電路簡單，占用I/O 口少，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇使用ADC0832，光照強度采集模塊的原理如圖2。

2.1.3 二氧化碳采集模塊

本系統(tǒng)采用的二氧化碳傳感器的型號為MG811，模擬量電壓輸出范圍為0～2 V，而且CO2濃度越高，傳感器輸出電壓越低，反之CO2濃度越低，傳感器輸出電壓越高。最后通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊得到標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，單片機將獲取的電壓數(shù)字信號處理轉(zhuǎn)化為CO2濃度數(shù)據(jù)。

2.2 人機交互模塊

本系統(tǒng)中人機交互模塊由按鍵輸入模塊、顯示模塊和警示模塊等部分組成。顯示模塊可以顯示溫度、濕度、光照強度和CO2濃度等數(shù)據(jù)；輸入模塊用于對各個參數(shù)上下限的設(shè)置；警示模塊用于當(dāng)棚中CO2濃度過大時的警報和人員靠近的警報。

2.2.1 顯示與輸入模塊

顯示模塊選用LCD1602 液晶屏，它可由單片機I/O 口接上拉電阻后直接驅(qū)動，對本次設(shè)計中的溫度值進行顯示。

輸入模塊選用線性鍵盤，主要實現(xiàn)對各個參數(shù)的上下限進行調(diào)節(jié)。其功能包括：開啟參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)加1、數(shù)據(jù)減1、保存和退出設(shè)置，所以該線性鍵盤至少包括4 個獨立按鍵。

2.2.2 警示模塊

本系統(tǒng)警示模塊選用自激蜂鳴器坐警示模塊，該蜂鳴器是直流電壓驅(qū)動，驅(qū)動口在輸出驅(qū)動電平后，驅(qū)動電流通過放大電路放大后就能使蜂鳴器發(fā)出報警聲音。可以由單片機直接驅(qū)動，可通過改變單片機引腳輸出電平的占空比來控制蜂鳴器的聲音大小。

2.3 電源模塊

本設(shè)計中的弱電控制部分所需電能全部由分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)提供。弱電部分所需電源功率小，僅通過光伏發(fā)電即可滿足弱電系統(tǒng)部分供電要求。

2.4 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊由繼電器模塊組成，通過單片機I/O 口控制大功率器件的工作狀態(tài)。

執(zhí)行模塊在單片機檢測到相應(yīng)環(huán)境參數(shù)后單片機驅(qū)動相應(yīng)輸出機構(gòu)工作，以維持大棚內(nèi)參數(shù)恒定（圖3）。

整個執(zhí)行模塊強電電路主要包括卷簾電機、加濕器、加熱器、風(fēng)機電機、補光燈以及CO2產(chǎn)生器的驅(qū)動控制。其控制過程如下：單片機輸出卷簾控制信號后，經(jīng)過信號放大，信號保護后的信號驅(qū)動繼電器RL1動作，將RL1 開關(guān)閉合，220 V 交流電從A 端與電機M 連接構(gòu)成電流回路，控制遮陽簾開閉的的卷簾電機將正轉(zhuǎn)，將遮陽簾釋放；當(dāng)繼電器將COM 端與B 端閉合連接時，卷簾電機將反轉(zhuǎn)，將遮陽簾收縮。由于仿真中無交流電機，因此畫成直流進行仿真。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)在上電復(fù)位后，隨后單片機就開始驅(qū)動包括溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等參數(shù)在內(nèi)的各個參數(shù)采集模塊來獲取環(huán)境參數(shù)[4]；在采集數(shù)據(jù)后單片機對數(shù)據(jù)進行處理，驅(qū)動顯示器顯示各個參數(shù)；在顯示器顯示數(shù)據(jù)同時還加入了輸入模塊來修改參數(shù)上下限；之后單片機將進行參數(shù)比較，如果不在設(shè)定范圍單片機將驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)工作使參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)，如果參數(shù)在設(shè)定范圍，單片機又將進行新一輪的數(shù)據(jù)采集、顯示、比較以及輸出控制，以此循環(huán)下去來保證大棚內(nèi)部各參數(shù)的恒定，控制流程圖如4。

4 系統(tǒng)仿真試驗

為了驗證溫室大棚控制系統(tǒng)的可行性和有效性，以及各個參數(shù)控制的精準(zhǔn)度，以及顯示模塊的有效性，首先采用Proteus 仿真軟件搭建系統(tǒng)仿真，運用Kiel 編寫控制器程序，進行模擬仿真[5]。其次在普中EM3V 2．2 單片機開發(fā)板上搭建實物模型進行實時環(huán)境仿真。

4.1 試驗方法

根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)控原理，本文采用單獨改變各環(huán)境參量，采用單一變量法來校核系統(tǒng)的可行性與有效應(yīng)。在試驗過程中，首先校核各個模塊功能，然后通過改變環(huán)境參數(shù)，觀察調(diào)節(jié)參數(shù)后是否構(gòu)成及時且合理的反饋來判斷控制系統(tǒng)的可行性。

4.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

4.2.1 仿真模型

在Proteus 軟件上建立了仿真模型，如圖5。

其中用刀開關(guān)模擬紅外熱釋電傳感器的輸入，用滑動變阻器（RV1）模擬光照強度變化，滑動變阻器（RV2）模擬CO2濃度變化。用LED 燈泡模擬所有的輸出設(shè)備，LED 點亮為驅(qū)動相應(yīng)輸出裝置。由于軟件不支持DHT11 模塊，整個仿真未給出DHT11 傳感器，所以LCD 顯示溫濕度為0。

在顯示模塊中，濕度顯示為字母“R”，溫度顯示為字母“T”，光照強度為“L”，CO2濃度為“C”，參數(shù)范圍用“SET”表示，采用循環(huán)分頁顯示各個參數(shù)，翻頁時間為1 秒。

輸入模塊中，采用4 個共陰極獨立按鍵。其功能分別為設(shè)置按鍵、加一鍵（兼保存顯示按鍵）、減一鍵和退出鍵。

4.2.2 實物模型

在Proteus 中進行全部仿真并且驗證系統(tǒng)的合理性的同時，選用普中EM3 V2．2 單片機開發(fā)板平臺進行系統(tǒng)實物搭建，在實物平臺校驗系統(tǒng)的合理性和實用性（圖6）。

4.3 系統(tǒng)仿真試驗

分別采用單一變量法對仿真模型以及實物模型進行了試驗測試，其過程如下：

對控制系統(tǒng)進行測試，首先通過觀察顯示模塊，顯示模塊正常工作，顯示內(nèi)容合理，系統(tǒng)平穩(wěn)運行。其次主要針對傳感器仿真測試、輸入模塊仿真測試以及輸出反饋的檢驗，針對數(shù)字類信號和模擬類信號分別進行了仿真測試。

對數(shù)字信號類，打開仿真，在顯示穩(wěn)定后，首先設(shè)置溫度的上限和下限，利用設(shè)置鍵和“+”“-”鍵，設(shè)置上限為50 度，下限為5 度，按下返回鍵回到顯示界面，改變傳感器參數(shù)開始測試。由于未接入傳感器，溫濕度都為0。此時低于設(shè)定范圍，觀察輸出的LED 處，加溫加濕LED 都點B 亮。證明數(shù)字信號類模塊系統(tǒng)設(shè)計合理。由于未進行上限的校驗，后期在仿真模型中采用DS18B20 數(shù)字傳感器代替DHT11 校驗溫度上限，超過溫上限，降溫指示燈點亮。同樣有正確反饋。再次證明系統(tǒng)設(shè)計合理有效，但是在實物模型中驗證了DHT11 傳感器的合理性與實用性。

對模擬信號類，打開仿真，待顯示穩(wěn)定。同樣設(shè)置上下限制，以光照強度為例（光照強度采用百分比顯示），設(shè)置上限為60%，下限為10%。滑動光照強度對應(yīng)滑動變阻器，增大阻值（光強減?。?，此時光強百分比減小，反之增大。當(dāng)測量顯示值小于設(shè)定值時，輸出模塊驅(qū)動補光燈點亮。當(dāng)測量顯示值大于設(shè)定值時，輸出模塊驅(qū)動遮陽指示燈點亮。同時在顯示界面按下保存顯示按鍵，此時顯示頁面鎖定，再次按下退出鎖定，輸入模塊校驗成功。

最后校驗警示模塊，由于撥動刀閘接通電路（熱釋電傳感器檢測到物體接近），此時蜂鳴器發(fā)聲發(fā)出警報，警示電路經(jīng)校驗設(shè)計合理。

4.4 試驗結(jié)果

通過上述的兩種平臺進行試驗，無論是在仿真模型還是在實物平臺整個控制系統(tǒng)都能平穩(wěn)運行，顯示模塊都能對采集參數(shù)進行有效且準(zhǔn)確的顯示；當(dāng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定范圍后，相應(yīng)反饋機構(gòu)都能及時準(zhǔn)確的反饋。經(jīng)試驗系統(tǒng)采集的各個環(huán)境參量都有效顯示，并且當(dāng)改變環(huán)境參數(shù)或者調(diào)節(jié)設(shè)定范圍時都能有效反饋，同時警示模塊也能正常感知信號做出響應(yīng)。

5 結(jié)語

本次設(shè)計的基于光伏供電的溫室智能控制系統(tǒng)是基于光伏發(fā)電技術(shù)、單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)的一項融合與實踐。在設(shè)計過程中運用仿真技術(shù)以及實物平臺搭建來校驗了系統(tǒng)的可行性與可執(zhí)行性，構(gòu)造了一套完整可靠的閉環(huán)控制系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)的提出將使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚種植變得簡單、實時、可靠。這是對智能農(nóng)業(yè)環(huán)節(jié)的一次嘗試，并且隨著科技的發(fā)展，該系統(tǒng)也能做出相應(yīng)的更新。