基于太陽能技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王洪東，陳 超，呂曉雪，孫立峰

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)阿拉爾棉花檢驗(yàn)測試中心，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)阿拉爾纖維檢驗(yàn)所，新疆 阿拉爾 843300；3.塔里木大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 43300）

1 設(shè)計(jì)依據(jù)及總體設(shè)計(jì)思路

南疆地區(qū)自然氣候環(huán)境惡劣，蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品緊缺，發(fā)展智能溫室能加速農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，解決南疆蔬菜緊缺的問題，智能溫度也是農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)展的方向。目前，南疆的農(nóng)業(yè)設(shè)施主要以塑料大棚為主，智能溫室應(yīng)用較少。從南疆農(nóng)業(yè)設(shè)施的應(yīng)用情況來看，塑料大棚的控制精度較低，農(nóng)作物的產(chǎn)出量較低；農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)部的作業(yè)還大多依靠人力操作，溫棚的人工作業(yè)量較大，溫棚的自動(dòng)化控制程度較低。南疆日照條件充足，晝夜溫差大，年日照時(shí)間在4000小時(shí)以上，具有優(yōu)質(zhì)的太陽能發(fā)電條件，利用太陽能對溫室進(jìn)行供電，可解決南疆偏遠(yuǎn)地區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)輕巧，形式變化多樣，適用于溫室頂部的安排與設(shè)計(jì)。根據(jù)南疆的氣候特點(diǎn)與溫室結(jié)構(gòu)，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(fā)電裝置的連接，形成一套薄膜太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。利用發(fā)電系統(tǒng)可用來解決溫室能源的動(dòng)力供給?？傮w的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 太陽能供電系統(tǒng)的溫室總體設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化為電能后，通過充電電路對太陽能畜電池組進(jìn)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(tǒng)連接，用來提供溫室溫度、濕度控制系統(tǒng)的電能。

2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）太陽能電池板的選擇。智能溫室的主要負(fù)載為加熱系統(tǒng)與濕度控制系統(tǒng)，按南疆地區(qū)溫室控制標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)功率為1kW。濕度控制主要為儀表設(shè)備，功率較小，整個(gè)智能溫室的功率按4kW計(jì)算，有效使用時(shí)間為12小時(shí)，則太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率為4kW。由太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，可進(jìn)行薄膜電池面積計(jì)算：

式中，A為薄膜電池的有效使用面積；P為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率；S為太陽能幅射強(qiáng)度（南疆地區(qū)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(zhuǎn)化效率為13%）；F為太陽能系統(tǒng)綜合效率（取值0.92）。本設(shè)計(jì)中采用漢能薄膜PIN型三結(jié)非晶硅鍺疊層電池，通過計(jì)算可得薄膜電池總使用面積為26m2。

（2）畜電池組的設(shè)計(jì)。根據(jù)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(shí)間（h）；UL為負(fù)載工作電壓（V）。則蓄電池容量計(jì)算為255A·h。

（3）逆變器的選擇。薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)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(fā)電裝置輸出功率的關(guān)鍵。綜合蓄電池組的供電能力，選用華為生產(chǎn)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(hù)，同時(shí)帶有自動(dòng)跟蹤MPPT（最大功率點(diǎn)）的功能，能滿足溫室系統(tǒng)的需要。

3 智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能溫室的控制包括對溫室內(nèi)部的溫濕度控制，以保證溫室內(nèi)部植物生長在最佳的生長環(huán)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(jù)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)考慮對太陽能系統(tǒng)的供電控制，選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)，在性能上，AT89S52單片機(jī)是一種具的低功耗、高性能、功能多等特點(diǎn)的CMOS8位單片機(jī)，完全滿足智能溫室控制系統(tǒng)的要求。單片機(jī)硬件系統(tǒng)的核心元件設(shè)計(jì)如圖2所示。圖2中，AT89S52單片機(jī)的P0.0-P0.7口作為溫濕度信號(hào)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(jī)傳輸實(shí)時(shí)信號(hào)。P1.0-P1.7口作為溫濕度信號(hào)的顯示端口，P2.0-P2.7口作為溫室各類設(shè)備的控制端口，主要控制加熱器、風(fēng)機(jī)、濕度控制器等設(shè)備。智能溫室的控制設(shè)計(jì)中，溫度與濕度信號(hào)的檢測精度與溫室溫濕度的準(zhǔn)確控制密切相關(guān)，結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)，選擇美國DFrobot公司生產(chǎn)的DHT11型溫濕度傳感器。DHT11芯片自帶A/D轉(zhuǎn)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(hào)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(jī)控制系統(tǒng)核心元件圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括對溫室內(nèi)部各控制參數(shù)的處理、外部信號(hào)的顯示與處理以及太陽能發(fā)電裝置的充電控制。軟件采用Keil CV7.06軟件進(jìn)行程序的編制，編制完成后利用Proteus7.11仿真器進(jìn)行仿真分析，從而得到最優(yōu)的軟件系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)中，溫室內(nèi)部的溫濕度控制是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，其程序流程圖如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)后，單片機(jī)對程序進(jìn)行初始化，查詢P0.0-P0.7的接收狀態(tài)，接收到安裝在溫室內(nèi)部的各個(gè)溫濕度傳感器實(shí)際值。對實(shí)際值進(jìn)行讀取后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)導(dǎo)入溫濕度控制的目標(biāo)值，采用PID算法，對實(shí)際值與目標(biāo)值之間進(jìn)行不斷比較，輸出最終的控制信號(hào)，直至溫室內(nèi)部參數(shù)在目標(biāo)值的控制范圍內(nèi)變化。同時(shí)，軟件系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有溫室度實(shí)時(shí)顯示與報(bào)警、太陽能充電狀態(tài)顯示、加熱器與濕度控制器的PID調(diào)節(jié)等功能。

圖3 程序流程圖

5 結(jié)語

通過應(yīng)用太陽能發(fā)電技術(shù)，對南疆溫室進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，結(jié)合試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

（1）薄膜太陽能發(fā)電裝置適合作為農(nóng)業(yè)設(shè)施的供電電源，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮發(fā)電量與電能利用效率，通過試驗(yàn)表明，在發(fā)電時(shí)間段內(nèi)，發(fā)電量變化均勻，通過穩(wěn)壓等電路處理，逆變后的電流波形穩(wěn)定，能滿足溫室系統(tǒng)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(yàn)，結(jié)果表明單片機(jī)控制的溫濕度系統(tǒng)對參數(shù)的控制穩(wěn)定，溫室的溫度能穩(wěn)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。

［1］許朋，孫通，馮國坤，饒洪輝，劉木華.基于STM32的智能溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015，（3）:87-90.

［2］王新坤，李紅.我國溫室的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．排灌工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2010,28（3）：179-184．

［3］張起勛，于海業(yè).太陽能及提高其利用率方法綜述［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010，（10）:241-244.

［4］李培.基于WSN的智能溫室大棚自動(dòng)定點(diǎn)噴灌系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2014，（7）:76-79.

［5］Nagle H T，Irwin JD.Cotton gin efficiency monitoringsystem［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1976，23（3）：218－222.

［6］E.Mashonjowa，F(xiàn).Ronsse，J.R.Milford，J.G.Pieters.Modelling the thermal performance of a naturally ventilated greenhouse in Zimbabwe using a dynamic green house climate model［J］.Solar Energy，2012，9（6）：10-16.

［7］陳教科，嚴(yán)海.基于STC89C58RD單片機(jī)的溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009，（11）:140-143.