溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案

一、項(xiàng)目概述
　　1.1 引言
　　近年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、水位等環(huán)境因子對作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達(dá)到科學(xué)合理種植的要求，存在大量的資源浪費(fèi)，違背了環(huán)境保護(hù)的主題。目前國內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進(jìn)國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，不適合國情。
　　針對目前大棚發(fā)展的趨勢，提出了一種農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目通過溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器DHT11和水壓傳感器D3B來采集大棚內(nèi)溫度、濕度和水位等信息情況，并用無線透傳模塊LSDRF4717M04發(fā)送到溫室大棚主控制臺，主控制臺通過液晶N5110顯示大棚內(nèi)溫度，濕度和水位情況，農(nóng)戶可以通過按鍵，自己設(shè)定植物生長的最適溫度，濕度及水位范圍，一旦發(fā)現(xiàn)溫度、濕度及水位超出設(shè)定的范圍，則通過GPRS模塊將大棚內(nèi)溫度、濕度和水位等信息發(fā)送到農(nóng)戶手機(jī)中。農(nóng)戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在很遠(yuǎn)的地方回復(fù)短信給溫室大棚主控制臺，主控制臺根據(jù)農(nóng)戶的命令來執(zhí)行相應(yīng)的措施。另外，我們基于TCP/IP和WEB的嵌入式以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁監(jiān)測、控制。
　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動機(jī)
　　溫室產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展速度很快。如在荷蘭的阿姆斯特丹 RAI展覽館每年11月舉辦一次國際花卉展覽會，2003 年就有來自世界各國的 477 個(gè)廠商展示了各自的產(chǎn)品和實(shí)力。荷蘭、日本、以色列、美國、韓國、西班牙、意大利、法國、加拿大等國是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)的國家，溫室以大型溫室為主。這些高水平大型溫室的環(huán)境控制系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器采集室溫、葉濕、地濕、室內(nèi)濕度、土壤含水量、溶液濃度、水位、風(fēng)速、風(fēng)向、以及植物作物生長狀態(tài)等有關(guān)參數(shù)，結(jié)合作物生長所需最佳條件，有效調(diào)節(jié)有關(guān)設(shè)備裝置，將室內(nèi)溫、濕、光、水、肥、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。
　　國內(nèi)外溫室大棚的對比
　　1.科技含量低，中國的設(shè)施園藝無論是在溫室設(shè)施本身還是在栽培管理方面，大多數(shù)設(shè)施結(jié)構(gòu)簡單，栽培管理以傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)為主，距離數(shù)量化和指標(biāo)化的要求還有相當(dāng)大的差距。中國溫室市場上目前使用的不少產(chǎn)品，在高品質(zhì)領(lǐng)域主要以國外產(chǎn)品為主，遮明網(wǎng)的生產(chǎn)上以瑞典、以色列的高品質(zhì)產(chǎn)品為主，溫室環(huán)境控制系統(tǒng)領(lǐng)域上國內(nèi)的產(chǎn)品同樣與國外有相當(dāng)大的差距，而且國內(nèi)現(xiàn)有的一些科研成果與真正地推廣應(yīng)用之間還有一段差距。
　　2．環(huán)境調(diào)控技術(shù)與設(shè)備落后，缺乏理論基礎(chǔ)與量化指標(biāo)。由于絕大多熱園藝設(shè)施類型過于簡易，因此對環(huán)境的調(diào)節(jié)和控制十分有限。張福墁教授認(rèn)為，塑料大棚往常在遇到災(zāi)害性天氣時(shí)受損，無法生產(chǎn)。即使在正常天氣，大部分塑料大棚所能進(jìn)行的環(huán)境調(diào)控手段也僅限于通風(fēng)和避風(fēng)。日光溫室遇到寒流或連陰（雪）天，光照不足失去熱源和光源時(shí)，室內(nèi)光照、溫度、濕度都會出現(xiàn)不適臺植物生長的逆境，輕則減產(chǎn)，重則絕收（如從2008年1月10開始的長達(dá)1月之久的連續(xù)降雪天氣），造成不同程度的經(jīng)濟(jì)損失。
　　3．缺乏與我國相適應(yīng)的溫室優(yōu)化控制軟件。目前，我國引進(jìn)溫室的控制系統(tǒng)大多運(yùn)行費(fèi)用過高，而自行研制的控制系統(tǒng)又缺乏相應(yīng)的優(yōu)化軟件，多數(shù)仍使用單因子開關(guān)量進(jìn)行環(huán)境因子的調(diào)節(jié)。而實(shí)際上溫室內(nèi)的光照、氣溫、地溫、濕度及水位等環(huán)境要素是在彼此關(guān)聯(lián)著的環(huán)境中對作物的生長產(chǎn)生影響的，而且環(huán)境要素的時(shí)間變化和空間變化都很復(fù)雜，當(dāng)改變某一環(huán)境因子時(shí)常會把其他環(huán)境因子變到一個(gè)不適宜的水平上。因此，結(jié)合溫室內(nèi)的物理模型、作物的生長模型和溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)模型，開發(fā)出一套與我國溫室生產(chǎn)現(xiàn)狀相適應(yīng)的環(huán)境控制優(yōu)化軟件是非常重要和十分迫切的。
　　4．中國的溫室建設(shè)上盲目性很大。大量的項(xiàng)目在相應(yīng)的配套設(shè)備、人才不到位的情況下，盲目地從國外引進(jìn)高新技術(shù)，盲目地低水平仿制國外產(chǎn)品。溫室種植管理上，產(chǎn)品種植前經(jīng)過市場考察的很少，往往造成產(chǎn)品積壓，帶來不應(yīng)有的損失。相關(guān)的種植管理方面的研究距離理論化、科學(xué)化、系統(tǒng)化地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐還有不少差距。溫室企業(yè)在產(chǎn)品的售后配套服務(wù)方面尚不夠完善，企業(yè)的品牌意識、誠信意識不夠相當(dāng)溫室控制軟件的研究上與國外企業(yè)相比有相當(dāng)大的差距。
　　技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀：
　　現(xiàn)代溫室中常見的能自動控制的調(diào)控機(jī)構(gòu)有：頂部通風(fēng)窗、側(cè)面通風(fēng)窗、外遮陽簾幕、內(nèi)遮陽簾幕、軸流通風(fēng)機(jī)、降溫濕簾、人工補(bǔ)光燈、二氧化碳施肥器、加熱設(shè)備、噴霧系統(tǒng)及熏蒸設(shè)備。控制器綜合調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)在運(yùn)行中節(jié)約能源的同時(shí)保證室內(nèi)氣候滿足植物生長需求。使用的控制器可以有很多選擇，如單片機(jī)、工控機(jī)、PLC、通用PC機(jī)等?？刂破髦g可以通過局域網(wǎng)或現(xiàn)場總線進(jìn)行信息交換。國內(nèi)外研究學(xué)者對控制系統(tǒng)和控制算法做了大量的研究。
　　我國溫室產(chǎn)業(yè)起步比較晚。自70年代末起，我國先后從日本、美國、荷蘭和保加利亞等國引進(jìn)了40套左右的現(xiàn)代化溫室成套設(shè)備。雖然這些溫室技術(shù)領(lǐng)先、設(shè)備先進(jìn)，但在我國的使用過程中還存在較嚴(yán)重問題，主要有以下幾點(diǎn)：引進(jìn)價(jià)格高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益差;技術(shù)要求過高，要求經(jīng)營者既要懂農(nóng)業(yè)技術(shù)，熟悉英文，還要掌握電腦操作和機(jī)械運(yùn)營和維護(hù);運(yùn)營模式?jīng)]有與中國的實(shí)際結(jié)合起來，不適合于我國的氣候特征。所以，研究開發(fā)符合我國國情、產(chǎn)生明顯經(jīng)濟(jì)效益并適用于大范圍推廣應(yīng)用的自動控制溫室系統(tǒng)己經(jīng)迫在眉睫?；谝陨系姆N種原因，我國的農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了溫室中溫度、濕度、光照等單因子控制技術(shù)的研究，并逐步推出既適宜我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平又能滿足不同生態(tài)氣候條件要求的溫室控制系統(tǒng)。
　　二、需求分析
　　2.1 功能要求
　　
　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)
　　用戶可以通過上位機(jī)軟件、手機(jī)短信，查詢大棚溫度、濕度和水位并控制大棚薄膜、排風(fēng)口、進(jìn)出水閥、加熱器的打開與關(guān)閉。主控器將溫度、濕度和水位等信息發(fā)送至上位機(jī)軟件或用戶手機(jī)。也可將溫度和水位調(diào)整至設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)大棚的高效管理、對自然資源的高效利用。用戶也可以通過網(wǎng)址訪問大棚的情況，通過網(wǎng)絡(luò)來對大棚實(shí)施監(jiān)控。
　　網(wǎng)絡(luò)部分我們將使用AT32UC3A0512片內(nèi)集成的10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC接口來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。初步方案，我們將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)單獨(dú)用一個(gè)單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，再通過UART來實(shí)現(xiàn)個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)的交互。不過在不影響主控單片機(jī)的反應(yīng)速率和執(zhí)行效率下，我們會盡量把網(wǎng)絡(luò)部分和主控部分集成在一塊單片機(jī)內(nèi)，以此來降低產(chǎn)品的成本與功耗。
　　2.2 性能要求
　　農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)
　　在保溫性能方面，該大棚模型加溫耗能少，降低能耗，溫室大棚透光材料覆蓋面積較大，薄膜保溫性好。
　　在耐用性方面，該大棚模型使用壽命比較長，傳感器使用壽命長，抗干擾性較強(qiáng)。
　　在數(shù)據(jù)傳輸方面，有數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，傳輸?shù)牟ㄌ芈时容^，使數(shù)據(jù)有效傳輸。
　　在能耗方面，該大棚模型使用功耗低的AVR系列中的AT32UC3A0512，在不使用外設(shè)時(shí)關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動芯片的使能腳。
　　在數(shù)據(jù)保存方面，該大棚模型可以記錄歷史數(shù)據(jù)，方便查詢。
　　在遠(yuǎn)程操控方面，該大棚模型可以通過手機(jī)短信和網(wǎng)絡(luò)來實(shí)行遠(yuǎn)程操控。
　　在環(huán)保方面，該大棚模型能耗低，材料使用塑料棚，鋁棒，保鮮薄膜等。