白光前

【文章摘要】

冬季由于室外溫度較低，所以作物一般在溫室中生長。作物的生長受到溫度、光照、濕度和二氧化碳等多方面因素的影響，為了促進作物的生長，為其提供適宜的生長環(huán)境非常重要，所以需要對溫室內(nèi)的環(huán)境因素進行調(diào)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以更加準(zhǔn)備的掌握作物的生長環(huán)境，并及時進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)獲得高產(chǎn)和低耗的目的。本文中設(shè)計的溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以單片機為核心，并成功設(shè)計了智能溫濕度傳感器及通用智能終端，重點介紹了低成本溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成模式的設(shè)計，繼而實現(xiàn)人機智能對溫室系統(tǒng)的控制。

【關(guān)鍵詞】

溫室;監(jiān)控系統(tǒng);低成本

我國是一個農(nóng)業(yè)型國家，當(dāng)前在廣大的農(nóng)村，溫室農(nóng)業(yè)舉目皆是。近些年來，隨著中國農(nóng)村和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步由傳統(tǒng)的粗放型管理方式轉(zhuǎn)向操作的現(xiàn)代集約化模式，農(nóng)業(yè)科技示范園為示范窗口的現(xiàn)代集約型農(nóng)業(yè)和高新技術(shù)應(yīng)用也正在崛起。開發(fā)和研究溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室中濕度、二氧化碳等因子的自動監(jiān)測及控制。加強控制理論與實際生產(chǎn)相結(jié)合，引入智能化的方法及知識工程方法，實現(xiàn)人機智能系統(tǒng)控制也將是未來溫室控制的發(fā)展方向。本文以MSP430F499超低功耗單片機為核心，實現(xiàn)了人機智能對溫室系統(tǒng)的控制。低成本溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比在成本上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。其中設(shè)計了智能溫濕度傳感器的硬件、軟件與算法，通用智能終端的硬件與軟件;驗證了RS-485通信、通用智能終端和智能溫濕度傳感器設(shè)計的正確性;使用MSP430F499單片機，充分利用了該單片機的超低功耗特性和豐富的片上系統(tǒng)，大大簡化了硬件電路的設(shè)計，降低了功耗，減少了費用，使得低成本設(shè)計的實現(xiàn)成為了可能;本系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，不但可以應(yīng)用在溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)中，而且還能滿足其它的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

1 溫室環(huán)境及其控制概述

作物生長收到溫度的影響，并且溫度是對其影響最重要的環(huán)境因素之一，如果作物的生長環(huán)境溫度適宜，那么作物可以達到最快的生長速度。溫度控制主要包括兩方面：冬季升溫和夏季降溫。溫室溫度的特點是：以外地區(qū)溫室溫度較高和較低的海拔高度和緯度，在時間的晝夜溫度和四個季節(jié)的變化，太陽輻射的周期性變化;不均勻性的影響下，冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的設(shè)備布置，室外的天氣和溫室的不均勻空間分布的因素;由于溫室及其周邊環(huán)境中傳導(dǎo)的時刻，對流和輻射換熱的方式，再加上它在任何時間將由室內(nèi)和室外的諸多干擾因素的影響，熱源和熱輻射具有很大的不確定性;在不同生長階段的各種作物的發(fā)展對溫度的要求也不相同的;溫室溫度的變化是緩慢和延遲的。

2 本系統(tǒng)濕度控制方案

在試驗溫度控制系統(tǒng)中，采用濕度傳感器來檢測溫度和濕度，檢測結(jié)果和相應(yīng)設(shè)定值進行比較，然后再決定是否啟動控濕裝置。由于溫度控制和濕度控制具有一定的耦合性，所以溫室的控制中嘗試使用的一些對該環(huán)境因素影響較大而對其他的環(huán)境因素影響最小的調(diào)控方案。例如，在夏季強烈的光照和濕度的情況下，由于張開遮陽網(wǎng)對濕度的影響比較小，故而只需要張開內(nèi)或外遮陽網(wǎng)遮陽。

在冬天夜間和陰雨季節(jié)，當(dāng)光照的強度低于光的補償點時候，需要進行人工補光。常用的溫室補光裝置主要有：金屬鹵化物燈、高壓水銀燈、白熾燈熒光燈、鹵燈等光源。對溫室中作物的光照時間和光照度進行控制和調(diào)節(jié)非常有必要。在冬天的夜晚和雨季時，當(dāng)光照的強度低于光的補償點時候，為促進作物的生長需要進行人工補光。可以通過設(shè)定的值來控制光照。

3 低成本溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成模式

3.1 組成模式一

該模式使用上位PC機和通用智能終端做下位機組成監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖如圖1。

3.2 組成模式二

該模式組成的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩部分，分為為上位計算機和智能溫濕度傳感器，這兩部分組成的監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

3.3 組成模式三

該模式采用通用上位PC機與智能終端、溫濕度智能傳感器做下位機組成的監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成框圖如圖3。

4 通用智能終端

通用智能終端的控制器為單片機MSP430，具有8路開關(guān)量輸入、8路模擬量輸入及路開關(guān)量輸出。其原理框圖如圖4-1所示。

該系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)是被溫度傳感器檢測，根據(jù)室外氣象條件和室內(nèi)溫度，與設(shè)定值比較，決定降、升溫的方法和激活控制裝置。冬季提高溫度控制是根據(jù)溫度差的大小，決定暖風(fēng)機的啟動時間，溫度差異大，激活時間就會較長。夏天控制冷卻是運用遞階控制，當(dāng)開始第一階段的控制措施仍達不到規(guī)定的要求時，才會啟動高一級的控制措施。冷卻控制由高到低依次為：濕簾風(fēng)機系統(tǒng)降溫;遮陽網(wǎng)開放;強制通風(fēng)冷卻（當(dāng)晴天遮陽網(wǎng)強制通風(fēng)前開）;天窗，側(cè)窗打開，自然通風(fēng)冷卻。

【參考文獻】

[1]鄧璐娟，馮巧玲，李淑君等.智能溫室環(huán)境控制的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].鄭州：鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）.2003：4.

[2]鄧建軍，徐立鴻，吳啟迪.溫室環(huán)境控制的特點及其系統(tǒng)組成[J].北京：農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.1995，14（增刊）：5.