智能溫室電氣工程設(shè)計實現(xiàn)

陳 冰

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462000）

1 智能溫室電氣工程現(xiàn)狀及問題

我國的智能溫室普及程度較低，但是需求量是非常大的，目前還處于極速發(fā)展的階段。智能溫室涵蓋的電子技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種電氣工程還都需要進(jìn)一步改進(jìn)。智能溫室與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的結(jié)合還有待相關(guān)政策的支持，相關(guān)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和銷售鏈也需要得到保障。最近一些年，我國的智能溫室技術(shù)主要是依靠國外，自主開發(fā)的部分比較少，在很大程度上依靠進(jìn)口。一方面我們國家在開發(fā)和研究上的投入顯然還是不夠，只有政府進(jìn)一步加大對智能溫室的資金投入才能使我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)早日趕上世界先進(jìn)水平；另一方面溫室構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的模糊，這就導(dǎo)致了市場的混亂以及各樣農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量難以得到保障，再者智能溫室在監(jiān)控軟件高昂的價格也令一部分農(nóng)民望而卻步。

2 智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

現(xiàn)代化的智能溫室的控制系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是對于氣候的調(diào)節(jié)，將溫室內(nèi)的溫度濕度等調(diào)節(jié)到能夠適宜農(nóng)作物生長的氣候，從而實現(xiàn)反季節(jié)作物的種植可能；另一個就是對于營養(yǎng)液的監(jiān)控，監(jiān)控并調(diào)節(jié)作物在生長的時候土壤里的各種微生物、礦物質(zhì)和各種養(yǎng)分。在氣候調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)對溫室內(nèi)部的溫度、濕度、二氧化碳含量以及光照甚至是風(fēng)速都要進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，這是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，而且還需要根據(jù)種植的作物的不同來設(shè)定不同的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，通過控制這些外部因素來繪制全面地生長曲線，從而達(dá)到全面監(jiān)控作物生長的目的。在營養(yǎng)液調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，該套系統(tǒng)需要對土壤中的各種微生物及礦物質(zhì)進(jìn)行檢測，通過實時動態(tài)的監(jiān)控來調(diào)節(jié)作物的生長土壤各種必需元素的含量，為作物提供源源不斷的養(yǎng)分，使其能夠正常茁壯地成長，從而確保作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

2.1 上位機的設(shè)計與實現(xiàn)

上位機是整個控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分，它以計算機為核心建立起了包括各類測量值的動態(tài)曲線，把握著整個種植環(huán)節(jié)的，同時還對有可能出現(xiàn)的危機提出預(yù)警。在上位機設(shè)計的時候，需要將所有的信息綜合過來，利用計算機技術(shù)進(jìn)行匯總，將各個時段的測量值繪制出相應(yīng)的生長曲線，根據(jù)不同的作物進(jìn)行相應(yīng)的計算機分析，進(jìn)而完整地了解和把握作物整個生長過程。在作物的生長遇到有可能出現(xiàn)病狀或是其他狀況的時候，該套系統(tǒng)也應(yīng)根據(jù)之前所統(tǒng)計的信息做出相應(yīng)的預(yù)警，就像天氣預(yù)報一樣，這就需要相關(guān)的專業(yè)人士對這些經(jīng)濟作物進(jìn)行分析和研究，再將其用計算機語言闡述出來，用上位機系統(tǒng)實現(xiàn)。最后就是在設(shè)計的時候還應(yīng)該將系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行儲存，這樣就方便維修人員進(jìn)行維修；如果可以的話我還建議建立起一個信息共享平臺，將這些作物的種植信息共享道該平臺上，方便其他人進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而促進(jìn)整個智能溫室的發(fā)展和完善。圖1就完整地闡述了上位機的主要功能。

圖1 上位機功能示意圖

2.2 下位機系統(tǒng)

下位機就是上位機命令的實現(xiàn)，它相對于上位機來講是一個相對獨立的系統(tǒng)，功能就是接受并處理上位機的信息，按照命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。上位機將收集的信息進(jìn)行綜合性的處理，然后將命令傳輸給下位機，下位機再根據(jù)此命令進(jìn)行一些相應(yīng)的動作，它可以是將溫度調(diào)高、或是打開二氧化碳控制閥等具體的指令。在概念上，上位機和下位機是服務(wù)與被服務(wù)的關(guān)系。一般來說下位機還要不停地讀取相關(guān)設(shè)備上的狀態(tài)信息，然后把這些信息上傳到上位機中，從而讓上位機再次進(jìn)行分析得出最優(yōu)的解決方案。簡言之如此，但是萬變不離其宗，下位機的設(shè)計仍然需要一些編程上的處理。在設(shè)計下位機系統(tǒng)的時候，操作人員也應(yīng)該能夠手動地對相關(guān)條件進(jìn)行手動的調(diào)節(jié)，從而避免因為系統(tǒng)錯誤而造成的大規(guī)模損失。在上位機向下位機傳達(dá)命令的時候，下位機系統(tǒng)應(yīng)該能夠嚴(yán)格按照指令執(zhí)行，進(jìn)而實現(xiàn)整個溫室的全面監(jiān)控。這些科學(xué)數(shù)據(jù)的處理都需要經(jīng)過精密的計算，下位機系統(tǒng)的設(shè)計同樣需要相關(guān)的計算機和電氣專業(yè)人士進(jìn)行設(shè)計和處理。手動控制系統(tǒng)的設(shè)計示意圖如圖2所示：

圖2 下位機手動控制示意圖

2.3 通信通道的設(shè)計

通訊通道在設(shè)計的時候主要還是要保證穩(wěn)定便捷，一定要確保信息能夠及時、暢通地進(jìn)行上下傳達(dá)。我建議使用RS485接口進(jìn)行通信管道的連接，因為這種管道采用的是雙接口，具有非常強的抗干擾和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，是目前較為可靠的傳輸通道之一。上位機和下位機的通訊是至關(guān)重要的，在兩種通信方式相互轉(zhuǎn)換的過程中，信息的穩(wěn)定是至關(guān)重要的，這種雙接口的通信方式能夠保證轉(zhuǎn)換的過程中盡量少地出現(xiàn)未知錯誤，這就在恒大程度上減少了信息在傳輸過程中的變形，保證了信息傳輸?shù)姆€(wěn)定和傳輸效率。

2.4 信號采集電路的設(shè)計

信號采集電路主要是一些傳感器的測量，該電路在設(shè)計的時候盡量保證傳感器能夠真實有效地將事實信息傳送給上位機即可。信號采集電路所收集的信號主要是一些傳感器傳來的模擬信號，該電路的示意圖如圖3所示，電路在工作的時候主要是在規(guī)定的時刻接受相應(yīng)的電壓，并在輸出端保持該電壓從而實現(xiàn)信息的傳輸。在進(jìn)行采樣的時候，一定要注意保證采樣狀態(tài)和保持狀態(tài)一致，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)信息的正確傳輸。在進(jìn)行模擬信號傳輸時，可以借用目前國內(nèi)一直研究的使用磷化銦作為采樣開關(guān)，同時使用低速的傳統(tǒng)ADC作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的中間介質(zhì)，這樣就可以實現(xiàn)高寬帶、高位數(shù)和高采樣率的精準(zhǔn)模擬，開關(guān)一旦斷開傳感器就會及時停止收集數(shù)據(jù)，整個跟蹤過程就會立刻停止，它也就能夠保持在開關(guān)斷開的瞬間的信號的瞬時值。為了保證傳感器能夠高效精確地將信息上傳，應(yīng)該盡可能地采用數(shù)字式的傳感器，這是目前較為先進(jìn)的傳感器，能夠保證各種信息相互之間不受影響，從而保證信息的準(zhǔn)確性，同時電路也應(yīng)該設(shè)計為并聯(lián)電路，這樣做的目的也是保證數(shù)據(jù)的順利傳輸，彼此之間不受影響。

圖3 信號采集電路示意圖

2.5 執(zhí)行部分的設(shè)計

智能溫室的執(zhí)行部分主要是天窗和遮陽窗簾開關(guān)的角度，以及各種通風(fēng)機等控制濕度和溫度的大型設(shè)備。這些設(shè)備在設(shè)計和安裝的時候盡量保證位置合理，工作過程穩(wěn)定即可，值得注意的是二氧化碳的開放閥在安裝的時候一定要注意其密閉性，噴淋設(shè)備隔一段時間也需要進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)。營養(yǎng)液的釋放閥一定要確保用量準(zhǔn)確，一旦出現(xiàn)土壤中某種元素的含量超標(biāo)，一定要及時去關(guān)停這些閥門。另外，在進(jìn)行相關(guān)設(shè)備安裝的時候也一定要注意安全措施，因為大型的風(fēng)扇和二氧化碳控制室以及一些相關(guān)元素的投放都有可能對操作人員造成一定的安全威脅，所以這些大型的電機設(shè)備上在使用的時候一定要注意安全，嚴(yán)格要求工作人員遵守相關(guān)的規(guī)章制度，按照規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)，確保安全第一。

3 結(jié)語

綜上所述，智能溫室是提升農(nóng)業(yè)事業(yè)的有效手段，其打破季節(jié)、時間和環(huán)境各項的客觀因素制約，為農(nóng)作物創(chuàng)建最佳的生長環(huán)境。智能溫室是由各類電氣工程實現(xiàn)對室內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳含量和營養(yǎng)液的釋放量和成分配置等功能。其技術(shù)不斷完善推動農(nóng)業(yè)事業(yè)的不斷進(jìn)步。