利用風(fēng)力發(fā)電的新型智能溫室

韓文軒　胡春華

摘 要

為了能夠突破農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)條件限制使溫室智能控制運(yùn)用更加廣泛，引入了微型風(fēng)力發(fā)電、雨水收集模塊；通過(guò)對(duì)溫室物理量的利用，設(shè)計(jì)了以基于MC9S12XS128單片機(jī)溫室控制系統(tǒng)方案，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、便利、適應(yīng)性強(qiáng)適合推廣。

【關(guān)鍵詞】MC9S12XS128單片機(jī) 模塊化 功能創(chuàng)新

1 引言

1.1 研究背景及意義

近年來(lái)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，有很多溫室大棚均采用了單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，然而方輝等單純的依靠單片機(jī)的智能控制并不能有效解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的些許問(wèn)題并且依靠51單片機(jī)不如使用總線(xiàn)頻率高且本身具有A/D功能的16位、32位單片機(jī)更為簡(jiǎn)便靈活。而何勝等針對(duì)戶(hù)用小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行控制進(jìn)行研究，可以更大范圍的去應(yīng)用，它可以推廣到農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)中。目前，智能溫室的研究已經(jīng)趨近成熟，Hui Guo Lu等實(shí)現(xiàn)了成熟的溫室大棚智能控制。然而能夠與生產(chǎn)環(huán)境緊密結(jié)合且適應(yīng)力強(qiáng)的的智能溫室發(fā)展尚不明顯。鑒于上述分析，現(xiàn)代溫室功能延伸方面存在很大提升空間，為此設(shè)計(jì)一種基于MC9S12XS128單片機(jī)的溫室大棚控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能控制的同時(shí)，也包含一些新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)理念。

1.2 研究現(xiàn)狀分析

世界發(fā)達(dá)國(guó)家如荷蘭、美國(guó)、以色列等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi)溫度、光照、水、氣、肥實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)調(diào)控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝形成了一整套完整的規(guī)范化技術(shù)體系。此外，國(guó)外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。遙測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中。 我國(guó)農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，90年代中后期，江蘇理工大學(xué)毛罕平等人研制開(kāi)發(fā)了溫室軟硬件控制系統(tǒng)，能對(duì)營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)、溫度、光照、CO2 、施肥等進(jìn)行綜合控制，是目前國(guó)產(chǎn)化溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)較為典型的研究成果。本文基于自動(dòng)控制理論，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的MC9S12XS128單片機(jī)智能控制和與實(shí)際農(nóng)業(yè)結(jié)合性強(qiáng)的溫室系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)總體框架

該智能溫室是由風(fēng)力發(fā)電模塊、溫室信息采集及控制系統(tǒng)、單片機(jī)處理模塊、雨水收集模塊組成。

2.2 功能簡(jiǎn)介

改智能溫室配有風(fēng)力發(fā)電模塊，能夠給整個(gè)系統(tǒng)輸送可用的電力；單片機(jī)處理模塊能夠?qū)鞲衅鱾骰氐臄?shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，然后根據(jù)設(shè)定好的數(shù)據(jù)對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度做出相應(yīng)的調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)溫室的智能調(diào)控。溫室配備有水槽，連接水泵及滴灌管線(xiàn)。溫室設(shè)計(jì)控制顯示屏來(lái)顯示實(shí)時(shí)的溫度、光強(qiáng)、濕度數(shù)據(jù)，并且在單片機(jī)處理模塊設(shè)計(jì)撥碼開(kāi)關(guān)用來(lái)更換系統(tǒng)控制程序。

2.3 實(shí)現(xiàn)原理

2.3.1 溫室風(fēng)力發(fā)電模塊

該模塊主要由發(fā)電、變電兩部分組成。風(fēng)力發(fā)電原理主要是依靠空氣的流動(dòng)，來(lái)推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生電力，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程。

變電是電氣工程中的技術(shù)，我們利用專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行變電試驗(yàn)，選擇了開(kāi)關(guān)電源、鉛酸蓄電池、繼電器、微型直流發(fā)電機(jī)作為主要元器件。試驗(yàn)主要驗(yàn)證溫室接受風(fēng)電的可能性，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換保正電力的穩(wěn)定，模擬縮小版的溫室風(fēng)力發(fā)電設(shè)施。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：模擬發(fā)電過(guò)程得到可靠的穩(wěn)定裕度，僅用開(kāi)關(guān)電源即可以滿(mǎn)足對(duì)220V市電壓的轉(zhuǎn)換。因此選用風(fēng)電可操作且穩(wěn)定。

2.3.2 溫室信息采集及控制系統(tǒng)

首先該系統(tǒng)包含“農(nóng)作物正常生長(zhǎng)預(yù)警指示系統(tǒng)”、“滴灌控制系統(tǒng)”、“光合/草簾控制系統(tǒng)”、“溫度控制系統(tǒng)”四個(gè)子系統(tǒng)。四個(gè)子系統(tǒng)的控制原理相同，均采用負(fù)反饋控制。本文的智能控制系統(tǒng)創(chuàng)新之處在于可以對(duì)溫室生產(chǎn)條件設(shè)定，使系統(tǒng)人機(jī)友好。

這些系統(tǒng)共同點(diǎn)為：都是由傳感器采集溫室內(nèi)的模擬信號(hào)，再由單片機(jī)采集并處理，經(jīng)過(guò)繼電器控制各功能單元運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)的功能包括：控制水泵、控制換氣扇、控制草簾拖動(dòng)直流電機(jī)、控制液晶顯示屏、控制蜂鳴器LED警示燈。傳感器選用光照強(qiáng)度傳感器、土壤濕度傳感器、溫度傳感器。傳感器一般選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用性強(qiáng)、靈敏度高的。

特別需要注重的是直流電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法通常是用PWM占空比驅(qū)動(dòng)，在溫室系統(tǒng)中難免遇到電機(jī)的負(fù)載較大的問(wèn)題，這就要求系統(tǒng)能夠保證元器件工作穩(wěn)定。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候加上個(gè)續(xù)流二極管可以很好的起到保護(hù)元器件的作用。

2.3.3 MC9S12XS128單片機(jī)智能功能原理

MC9S12XS128單片機(jī)是Freescale 公司的HCS12X系列16位單片機(jī)。由16位中央處理單元、128KB程序Flash）、8KB RAM、8KB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲(chǔ)器。MC9S12XS128單片機(jī)中有些特殊功能可定義為多個(gè)引腳，如PWM、SCI1模塊。

采用MC9S12XS128單片機(jī)智能控制首先進(jìn)行A/D采集，采集溫室內(nèi)各物理量在進(jìn)行程序運(yùn)算乃至控制整個(gè)溫室大棚各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。例如本文溫室內(nèi)“農(nóng)作物正常生長(zhǎng)預(yù)警指示系統(tǒng)”，它的原理是根據(jù)具體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定三個(gè)范圍：a（溫室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍）、b（溫室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度范圍）、c（溫室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度范圍）相加得到一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合值，這個(gè)值落到農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)值域內(nèi)，那么農(nóng)作物正常生長(zhǎng)指示燈亮。

需要注意的是為了進(jìn)一步的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在單片機(jī)編程中還可采用PID控制思想以克服外界對(duì)系統(tǒng)采樣時(shí)的擾動(dòng)，可以設(shè)定目標(biāo)，定義比例常數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)等。PID控制這種方法適合控制系統(tǒng)中，當(dāng)前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍。

3 智能溫室未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外很多溫室大棚均采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室集約化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動(dòng)化技術(shù)聚合與集成應(yīng)用，可以測(cè)量基質(zhì)濕度、成分、pH值、溫度、空氣濕度、氣壓、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等，再通過(guò)模型分析，自動(dòng)調(diào)控溫室環(huán)境、控制灌溉和施肥作業(yè)，從而獲得植物生長(zhǎng)的最佳條件。未來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下現(xiàn)代智能溫室會(huì)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

4 分析與結(jié)論

針對(duì)溫室大棚控制，本系統(tǒng)中融入風(fēng)力發(fā)電模塊為該系統(tǒng)提供電力，設(shè)計(jì)雨水收集裝置進(jìn)行蓄水。系統(tǒng)有效結(jié)合傳感器技術(shù)和單片機(jī)處理技術(shù)，能夠?qū)庹諒?qiáng)度、溫室內(nèi)部溫度以及土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各物理量的閉環(huán)控制。硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化設(shè)計(jì)、PID控制思想，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。本系統(tǒng)所用器件性能穩(wěn)定、廉價(jià)，成本較低，性?xún)r(jià)比較高。

作者單位

濱州學(xué)院電氣工程系 山東省濱州市 256603