基于光伏供電的溫室智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦 棟，李志強(qiáng)，黃 毅，田爍杰，王玉棟，任 玲

（石河子大學(xué)機(jī)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(duì)其自動(dòng)化、智能化的要求越來(lái)越高[1]。但國(guó)內(nèi)溫室大棚技術(shù)較國(guó)外起步較晚，技術(shù)發(fā)展較慢，機(jī)械化、自動(dòng)化程度較低。據(jù)調(diào)研，我國(guó)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(cè)不精確，灌溉、遮陽(yáng)、通風(fēng)等大多依靠人工，測(cè)控精度低且不及時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高的情況，單靠人工遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。

因此，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)普遍的溫室大棚生產(chǎn)種植情況, 本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的綜合測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的部分參數(shù)，滿(mǎn)足溫室作物生長(zhǎng)的需求[2]，改變種植“經(jīng)驗(yàn)論”，提高產(chǎn)量。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的溫室智能控制系統(tǒng)，對(duì)溫室大棚進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)控，同時(shí)采用光伏技術(shù)為單片機(jī)主控單元的工作提供能源。本設(shè)計(jì)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(jī)交互模塊及執(zhí)行模塊。主控單元模塊采用STC89C51 單片機(jī)主控單元芯片對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)的參數(shù)[2]；人機(jī)交互模塊采用LCD1602 液晶顯示屏、鍵盤(pán)及報(bào)警單元實(shí)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(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行模擬測(cè)試。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行分析、處理、比較和判斷，得到修正量數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)的繼電器控制相應(yīng)的電磁閥或電機(jī)工作，調(diào)控溫濕度等參數(shù)達(dá)到設(shè)定值左右，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的調(diào)控[3]，同時(shí)將溫室內(nèi)的幾種基本環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)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(jì)利用自動(dòng)控制的原理，調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)提供作物優(yōu)良的環(huán)境來(lái)生長(zhǎng)。在本文設(shè)計(jì)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(jī)內(nèi)傳入空氣中的光照強(qiáng)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(jìn)行分析比對(duì)，發(fā)布指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊對(duì)偏移量進(jìn)行修正，使大棚各種參數(shù)始終在適合作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集模塊

2.1.1 溫濕度采集模塊

本設(shè)計(jì)采用的溫濕度傳感器的型號(hào)為DHT11，其溫濕度測(cè)量范圍適宜，輸出為數(shù)字量信號(hào)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(jī)P2．2 口相接。

2.1.2 光照強(qiáng)度采集模塊

選擇光敏電阻來(lái)測(cè)量光照強(qiáng)度，入射光越強(qiáng)，電阻越??；反之電阻越大。在本設(shè)計(jì)中，在光敏電阻支路中還需串聯(lián)一個(gè)10 千歐的電阻起限流保護(hù)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(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)之后與單片機(jī)P1．1 口連接，再由單片機(jī)讀取處理，劃分相應(yīng)的光照等級(jí)。

因?yàn)橄到y(tǒng)采樣的數(shù)據(jù)僅為一個(gè)電壓值，對(duì)采樣速率沒(méi)有太高的要求，而且串行ADC 電路簡(jiǎn)單，占用I/O 口少，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇使用ADC0832，光照強(qiáng)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(hào)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(guò)A/D 轉(zhuǎn)換模塊得到標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，單片機(jī)將獲取的電壓數(shù)字信號(hào)處理轉(zhuǎn)化為CO2濃度數(shù)據(jù)。

2.2 人機(jī)交互模塊

本系統(tǒng)中人機(jī)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(qiáng)度和CO2濃度等數(shù)據(jù)；輸入模塊用于對(duì)各個(gè)參數(shù)上下限的設(shè)置；警示模塊用于當(dāng)棚中CO2濃度過(guò)大時(shí)的警報(bào)和人員靠近的警報(bào)。

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(jī)I/O 口接上拉電阻后直接驅(qū)動(dòng)，對(duì)本次設(shè)計(jì)中的溫度值進(jìn)行顯示。

輸入模塊選用線性鍵盤(pán)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)的上下限進(jìn)行調(diào)節(jié)。其功能包括：開(kāi)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(pán)至少包括4 個(gè)獨(dú)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(dòng)，驅(qū)動(dòng)口在輸出驅(qū)動(dòng)電平后，驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)放大電路放大后就能使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音?？梢杂蓡纹瑱C(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可通過(guò)改變單片機(jī)引腳輸出電平的占空比來(lái)控制蜂鳴器的聲音大小。

2.3 電源模塊

本設(shè)計(jì)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(guò)光伏發(fā)電即可滿(mǎn)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(guò)單片機(jī)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(jī)檢測(cè)到相應(yīng)環(huán)境參數(shù)后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出機(jī)構(gòu)工作，以維持大棚內(nèi)參數(shù)恒定（圖3）。

整個(gè)執(zhí)行模塊強(qiáng)電電路主要包括卷簾電機(jī)、加濕器、加熱器、風(fēng)機(jī)電機(jī)、補(bǔ)光燈以及CO2產(chǎn)生器的驅(qū)動(dòng)控制。其控制過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出卷簾控制信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，信號(hào)保護(hù)后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器RL1動(dòng)作，將RL1 開(kāi)關(guān)閉合，220 V 交流電從A 端與電機(jī)M 連接構(gòu)成電流回路，控制遮陽(yáng)簾開(kāi)閉的的卷簾電機(jī)將正轉(zhuǎn)，將遮陽(yáng)簾釋放；當(dāng)繼電器將COM 端與B 端閉合連接時(shí)，卷簾電機(jī)將反轉(zhuǎn)，將遮陽(yáng)簾收縮。由于仿真中無(wú)交流電機(jī)，因此畫(huà)成直流進(jìn)行仿真。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)在上電復(fù)位后，隨后單片機(jī)就開(kāi)始驅(qū)動(dòng)包括溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)在內(nèi)的各個(gè)參數(shù)采集模塊來(lái)獲取環(huán)境參數(shù)[4]；在采集數(shù)據(jù)后單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示各個(gè)參數(shù)；在顯示器顯示數(shù)據(jù)同時(shí)還加入了輸入模塊來(lái)修改參數(shù)上下限；之后單片機(jī)將進(jìn)行參數(shù)比較，如果不在設(shè)定范圍單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)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(jī)又將進(jìn)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(lái)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(yàn)

為了驗(yàn)證溫室大棚控制系統(tǒng)的可行性和有效性，以及各個(gè)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(yùn)用Kiel 編寫(xiě)控制器程序，進(jìn)行模擬仿真[5]。其次在普中EM3V 2．2 單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上搭建實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)時(shí)環(huán)境仿真。

4.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)控原理，本文采用單獨(dú)改變各環(huán)境參量，采用單一變量法來(lái)校核系統(tǒng)的可行性與有效應(yīng)。在試驗(yàn)過(guò)程中，首先校核各個(gè)模塊功能，然后通過(guò)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(shí)且合理的反饋來(lái)判斷控制系統(tǒng)的可行性。

4.2 試驗(yàn)?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(kāi)關(guān)模擬紅外熱釋電傳感器的輸入，用滑動(dòng)變阻器（RV1）模擬光照強(qiáng)度變化，滑動(dòng)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(diǎn)亮為驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出裝置。由于軟件不支持DHT11 模塊，整個(gè)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(qiáng)度為“L”，CO2濃度為“C”，參數(shù)范圍用“SET”表示，采用循環(huán)分頁(yè)顯示各個(gè)參數(shù)，翻頁(yè)時(shí)間為1 秒。

輸入模塊中，采用4 個(gè)共陰極獨(dú)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(shí)物模型

在Proteus 中進(jìn)行全部仿真并且驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性的同時(shí)，選用普中EM3 V2．2 單片機(jī)開(kāi)發(fā)板平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)物搭建，在實(shí)物平臺(tái)校驗(yàn)系統(tǒng)的合理性和實(shí)用性（圖6）。

4.3 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

分別采用單一變量法對(duì)仿真模型以及實(shí)物模型進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，其過(guò)程如下：

對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，首先通過(guò)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(yùn)行。其次主要針對(duì)傳感器仿真測(cè)試、輸入模塊仿真測(cè)試以及輸出反饋的檢驗(yàn)，針對(duì)數(shù)字類(lèi)信號(hào)和模擬類(lèi)信號(hào)分別進(jìn)行了仿真測(cè)試。

對(duì)數(shù)字信號(hào)類(lèi)，打開(kāi)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(kāi)始測(cè)試。由于未接入傳感器，溫濕度都為0。此時(shí)低于設(shè)定范圍，觀察輸出的LED 處，加溫加濕LED 都點(diǎn)B 亮。證明數(shù)字信號(hào)類(lèi)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。由于未進(jìn)行上限的校驗(yàn)，后期在仿真模型中采用DS18B20 數(shù)字傳感器代替DHT11 校驗(yàn)溫度上限，超過(guò)溫上限，降溫指示燈點(diǎn)亮。同樣有正確反饋。再次證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理有效，但是在實(shí)物模型中驗(yàn)證了DHT11 傳感器的合理性與實(shí)用性。

對(duì)模擬信號(hào)類(lèi)，打開(kāi)仿真，待顯示穩(wěn)定。同樣設(shè)置上下限制，以光照強(qiáng)度為例（光照強(qiáng)度采用百分比顯示），設(shè)置上限為60%，下限為10%。滑動(dòng)光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)滑動(dòng)變阻器，增大阻值（光強(qiáng)減?。?，此時(shí)光強(qiáng)百分比減小，反之增大。當(dāng)測(cè)量顯示值小于設(shè)定值時(shí)，輸出模塊驅(qū)動(dòng)補(bǔ)光燈點(diǎn)亮。當(dāng)測(cè)量顯示值大于設(shè)定值時(shí)，輸出模塊驅(qū)動(dòng)遮陽(yáng)指示燈點(diǎn)亮。同時(shí)在顯示界面按下保存顯示按鍵，此時(shí)顯示頁(yè)面鎖定，再次按下退出鎖定，輸入模塊校驗(yàn)成功。

最后校驗(yàn)警示模塊，由于撥動(dòng)刀閘接通電路（熱釋電傳感器檢測(cè)到物體接近），此時(shí)蜂鳴器發(fā)聲發(fā)出警報(bào)，警示電路經(jīng)校驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述的兩種平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)論是在仿真模型還是在實(shí)物平臺(tái)整個(gè)控制系統(tǒng)都能平穩(wěn)運(yùn)行，顯示模塊都能對(duì)采集參數(shù)進(jìn)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(jī)構(gòu)都能及時(shí)準(zhǔn)確的反饋。經(jīng)試驗(yàn)系統(tǒng)采集的各個(gè)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(shí)都能有效反饋，同時(shí)警示模塊也能正常感知信號(hào)做出響應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)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(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)的一項(xiàng)融合與實(shí)踐。在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用仿真技術(shù)以及實(shí)物平臺(tái)搭建來(lái)校驗(yàn)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(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、可靠。這是對(duì)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。