智能育苗溫床控制系統(tǒng)

馬薇1,王秀梅2,王洪凱3,董晶4

(1.長春工程學院電氣與信息學院，長春 130012； 2.雅礱江公司二灘水力發(fā)電廠四川，成都 610000；

3.國家電網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，長春 130012； 4.長春職業(yè)技術(shù)學校，長春 130102)

主要研究計算機科學與技術(shù)。

摘要：我國北方冬季天氣寒冷，蔬菜產(chǎn)量低，綠色蔬菜為反季農(nóng)產(chǎn)品，價格較高。育苗是北方冬季蔬菜生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，育苗質(zhì)量決定冬季蔬菜生產(chǎn)的產(chǎn)量與價格。研發(fā)了智能育苗溫床控制系統(tǒng)，它是應用單片機作為控制芯片，對冬季溫室的育苗溫床生產(chǎn)全過程進行智能控制，既提高了蔬菜育苗的成功率，保障冬季蔬菜的生產(chǎn)質(zhì)量，又降低了管理人員的勞動強度，創(chuàng)造了良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：智能控制；育苗溫床；溫度控制系統(tǒng)

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.027

收稿日期：2015-09-10

基金項目：吉林省教育廳“十二五”科學技術(shù)研究項目(2014333)

作者簡介：馬薇(1982-)，女(漢)，長春，實驗師

中圖分類號：TP273.5獻標志碼：A

在我國北方的大部分地區(qū)，冬春兩季氣溫低，溫度恰恰是農(nóng)作物生長需求指標的重要一項，直接影響到農(nóng)作物生長的質(zhì)量，因此，保證作物生長的適宜溫度在優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。

智能溫控是近年來逐漸發(fā)展起來的一種結(jié)合計算機自動控制與智能傳感技術(shù)等的高科技農(nóng)業(yè)技術(shù)，它在計算機的控制下為作物提供相適應的溫度，以實現(xiàn)各種作物高效、優(yōu)質(zhì)的工業(yè)化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的溫床育苗存在苗床上面的土壤受熱不均勻，溫度控制精度不高，溫度調(diào)整需人工控制，育苗分散不能集中管理等問題，而本系統(tǒng)能多點采集土壤溫度，精確控制溫度并針對不同蔬菜的生長特性，建立單組育苗周期的自動控制模型，制定多組同時育苗的集群控制策略，最終實現(xiàn)溫度控制的智能化。

1總體方案設(shè)計

本次設(shè)計的核心是對苗床土壤溫度進行多點測控。下位機采用單片機，可將溫度傳感器采集到的土壤溫度數(shù)據(jù)進行分析、處理，再經(jīng)單片機將處理后的信號輸給上位機(PC機)，由顯示器顯示實時溫度。如果采集的溫度超出設(shè)定，單片機將發(fā)出警報信號，并控制加熱器件進行調(diào)整。使用單片機軟件編程也是因為它的靈活性與自由性的特點；上位機可用筆記本電腦或臺式電腦來實現(xiàn)用戶界面實時顯示監(jiān)控的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)是用戶通過管理軟件來控制整個育苗溫床土壤溫度的變化。我們以一個大棚為一個單元，每個單元下設(shè)3組育苗溫床，通過傳感器的多點采集、單片機的運算、控制處理來完成育苗溫床土壤溫度的集群化、智能化控制，如圖2所示。

圖2　集群控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2硬件設(shè)計

2.1　單片機模塊

單片機(Micro Controller Unit),又稱微處理器,是指在一塊芯片集成了中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM、計數(shù)器/定時器、多種I/O口、高速A/D轉(zhuǎn)換等部件,從而構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機[1]。在整個控制系統(tǒng)中，它是運算處理的中心，也是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件。本系統(tǒng)選取的是STC15F2K60S2系列單片機，它既要對溫度數(shù)據(jù)進行測量、調(diào)控，還要完成數(shù)據(jù)存儲及與上位機通信等功能。它是整個溫床控制系統(tǒng)的核心部分。

2.2　溫度采集模塊

本系統(tǒng)使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一款采用單總線協(xié)議的溫度傳感器，它無須用任何外部元件，只使用一個I/O端口與單片機相連接，并能將采集的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以數(shù)字碼方式輸出。單總線也是DALLAS公司的一項專利技術(shù)，它采用單根信號線就可實現(xiàn)與單片機的雙向通訊，它具有節(jié)省I/O口線資源、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于擴展和維護等優(yōu)點，這也是本系統(tǒng)選用這款傳感器的原因[2]。

DS18B20采用3腳T0-92封裝，封裝形式與器件如圖3所示。

1.GND：接地；2.DQ：數(shù)字輸入輸出；3.VDD： 可選的+5V電源 圖3　DS28B20引腳圖

DS18B20有兩種供電方式，一種是外接電源，另一種寄生電源方式，寄生電源方式在DS18B20溫度較高時的電流較，大會導致數(shù)據(jù)無法傳輸，因此在本設(shè)計中采用外接電源法。同時，數(shù)據(jù)的輸出與單片機的I/O口引腳相連，可進行時鐘與數(shù)據(jù)的傳輸[2]。

每一個DS18B20在ROM中都有一個唯一的標識號，這樣單片機可以通過簡單的通信協(xié)議就可以識別不同的DS18B20，也減化了多個傳感器在系統(tǒng)中的電路，節(jié)省電子元件。DS18B20體積不大，理論上一個單片機可以帶多個傳感器，但是實驗中發(fā)現(xiàn)當連接20個以上的DS18B20時，驅(qū)動會出現(xiàn)問題，只能采用單片機的多個I/O口來驅(qū)動多路DS18B20來保證正常的工作[3]。單片機與溫度傳感器節(jié)點連接圖如圖4所示。

圖4　溫度傳感器節(jié)點連接圖

2.3　加熱控制模塊

加熱控制模塊由繼電器模塊、控制開關(guān)與電熱線組成。本系統(tǒng)主要是為監(jiān)控育苗溫床的土壤溫度，在這就不得不說明一下電熱溫床，它是用電熱線鋪在溫床隔熱層上并覆蓋8～10 cm厚的床土，最后用竹片做棚，蓋上塑料薄膜就成了一個簡易電熱溫床。如圖5所示。一般每平方米100～150 W的電熱溫床,每小時可升溫1 ℃。溫床通電后，溫度傳感器把采集的土壤溫度數(shù)據(jù)傳入單片機，單片機程序做出處理后讀取溫度值，并且與設(shè)定溫度進行比對，如果在正常范圍內(nèi)不會啟動繼電器，不在設(shè)定范圍內(nèi)就會進入繼電器子程序，繼電器起關(guān)斷和閉合的開關(guān)作用，用于控制電熱線的加熱。

圖5　電熱線鋪設(shè)位置示意圖

2.4　其他模塊

顯示模塊主要顯示監(jiān)控天數(shù)、監(jiān)控小時、溫度回差、預設(shè)溫度與實時溫度。按照這些參數(shù)選取12864LCD是完全符合要求的。

當單片機啟動后，會定時發(fā)出采集溫度的命令，提取存儲器默認的溫度與采集數(shù)值進行比對,如果不在范圍內(nèi)則觸發(fā)報警子程序，顯示報警信號。

按鍵模塊共包括4個按鍵：1)溫度控制增加鍵：上調(diào)設(shè)定溫度數(shù)值；2)溫度控制減少鍵：下調(diào)設(shè)定溫度數(shù)值；3)光標顯示鍵；4)界面切換鍵：切換到其他溫室土壤溫度監(jiān)控的界面。

3系統(tǒng)軟件的設(shè)計

為了方便系統(tǒng)程序的調(diào)試與維護，程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)，由主程序與子程序組成。子程序包括溫度采集程序、繼電器控制程序、LCD顯示程序、鍵盤控制程序、報警程序等。子程序根據(jù)事件處理標記進行判斷，采取行動。主程序通過調(diào)用子程序來完成對溫度的控制。主程序流程如圖6所示。

現(xiàn)在市場提供的電熱線一般是80～100 m，每根功率為800～1 000 W，可以供10 m2左右的苗床鋪設(shè)使用，如需更大苗床則會超過2 000 W，而我們設(shè)計的一個大棚中有3組苗床，同時使用時總功率就會達到6 000 W左右，這樣是無法供電的。當這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)會根據(jù)每種蔬菜育苗時所需的不同溫度來控制繼電器開關(guān)的切換，智能分配供電時間。本系統(tǒng)針對不同蔬菜幼苗培育時期的不同時段，實行分段管理，并建立育苗信息庫，見表1。單片機可以從信息庫中提取所培育蔬菜的育苗時間與所需溫度，以便于智能化控制育苗的整個過程。

圖6　系統(tǒng)總流程圖

種類日溫/℃出苗期破心期生長期夜溫/℃出苗期破心期生長期時間/d出苗期破心期生長期黃瓜26～2825～2623～2516～1712～1415～173722番茄28～3025～2623～2518～1912～1515～1741028辣椒26～282022～2416～1814～1510～1231030

4系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)完成以后，要經(jīng)過測試才能夠從中發(fā)現(xiàn)問題。使用時，硬件設(shè)備先初始化，單片機會定時讀取溫度傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進行取平均值的運算顯示在液晶LCD上，如圖7所示。然后單片機把數(shù)據(jù)傳回上位機，如圖8所示。按照這樣的過程就完成了一次土壤溫度檢測功能，單片機可以隨時接收來自上位機的命令，由于管理軟件為每個大棚傳回數(shù)據(jù)都分配了一個唯一的地址，所以可以一次性管理多個大棚，從而實現(xiàn)管理集群化。

圖7　DS18B20檢測到實時溫度

圖8　1號大棚溫度監(jiān)控界面

5結(jié)語

本文詳細敘述了育苗溫床控溫系統(tǒng)設(shè)計方案，使溫床土壤溫度穩(wěn)定在某一設(shè)定數(shù)值上，能顯示溫度值并可以人為靈活地輸入定值，而且有溫度越界報警功能，實現(xiàn)了自動控溫。本系統(tǒng)以智能監(jiān)控為目的，也為單個及大棚群控制提供有效且實用的溫度控制系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 姜志海，趙艷雷.單片機的C語言程序設(shè)計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 李淑杰.溫室大棚蔬菜育苗技術(shù)[M].延吉：延邊人民出版社，2002.

[3] 郭天祥.51單片機C語言教程[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4] 趙鴻圖.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2008，26:54-56.

The intelligent control system of seedling hot bed

MA Wei, et al.

(SchoolofElectrical&InformationEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：The weather is cold in winter in northern part of China, so the vegetable production is low there. The green vegetables are with higher prices as anti-seasonal agriculture products. Seeding is the most important part of the vegetable production in the northern part of China. The quality of seeding is crucial to the productions and prices of winter vegetables. The design realizes an intelligent control system of seeding hot bed, which is to control the whole production process of seedling hot bed in greenhouse in winter by single chip machine as control chip. This technology is not only to improve the survival rate of the vegetable seedling. Make sure the quality of winter vegetable productions, but also decrease the labor strength of management people. It can create better social and economic benefits.

Key words：intelligent control; seeding hot bed; temperature collection system