农业大棚温湿度智能控制系统设计-本科毕业论文

1 引言

1.1 課題背景及研究意義

中國農業的發展必須走現代化農業這條道路，隨著國民經濟的迅速增長，農業的研究和應用技術越來越受到重視，特別是溫室大棚已經成為高效農業的一個重要組成部分。現代化農業生產中的重要一環就是對農業生產環境的一些重要參數進行檢測和控制。例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農業種植問題中，溫室環境與生物的生長、發育、能量交換密切相關，進行環境測控是實現溫室生產管理自動化、科學化的基本保證，通過對監測數據的分析，結合作物生長發育規律，控制環境條件，使作物達到優質、高產、高效的栽培目的。以蔬菜大棚為代表的現代農業設施在現代化農業生產中發揮著巨大的作用。大棚內的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數，直接關係到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設施己經發展到比較完備的程度，並形成了一定的標準，但是價格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點相適應的測控軟體。而當今大多數對大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測與控制都採用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強度大及由於測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達到預期的效果。因此，為了實現高效農業生產的科學化並提高農業研究的準確性，推動我國農業的發展，必須大力發展農業設施與相應的農業工程，科學合理地調節大棚內溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內形成有利於蔬菜、水果生長的環境，是大棚蔬菜和水果早熟、優質高效益的重要環節。目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。由於單片機及各種電子器件性價比的迅速提高，使得這種要求變為可能。當前農業溫室大棚大多是中小規模，要在大棚內引

人自動化控制系統，改變全部人工管理的方式，就要考慮系統的成本，因此，針對這種狀況，結合郊區農戶的需要，設計了一套低成本的溫濕度自動控制系統。該系統採用感測器技術和單片機相結合，由上位機和下位機構成，採用RS232介面進行通訊，實現溫室大棚自動化控制。

中國農業的發展必須走現代化農業這條道路，隨著國民經濟的迅速增長，農業的研究和應用技術越來越受到重視，特別是溫室大棚已經成為高效農業的一個重要組成部分。現代化農業生產中的重要一環就是對農業生產環境的一些重要參數進行檢測和控制。例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農業種植問題中，溫室環境與生物的生長、發育、能量交換密切相關，進行環境測控是實現溫室生產管理自動化、科學化的基本保證，通過對監測數據的分析，結合作物生長發育規律，控制環境條件，使作物達到優質、高產、高效的栽培目的。以蔬菜大棚為代表的現代農業設施在現代化農業生產中發揮著巨大的作用。大棚內的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數，直接關係到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設施己經發展到比較完備的程度，並形成了一定的標準，但是價格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點相適應的測控軟體。而當今大多數對大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測與控制都採用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強度大及由於測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達到預期的效果。因此，為了實現高效農業生產的科學化並提高農業研究的準確性，推動我國農業的發展，必須大力發展農業設施與相應的農業工程，科學合理地調節大棚內溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內形成有利於蔬菜、水果生長的環境，是大棚蔬菜和水果早熟、優質、高效益的重要環節。

1.2國內外溫室控制技術發展概況

溫室是一種可以改變植物生長環境、為植物生長創造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場所。它以採光覆蓋材料作為全部或部分結構材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節栽培植物。溫室生產以達到調節產期，促進生長發育，防治病蟲害及提高品質、產量等為目的。而溫室設施的關鍵技術是環境控制，該技術的最終目標是提高控制與作業精度。

國外對溫室環境控制技術研究較早，始於20世紀70年代。先是採用模擬式的組合儀錶，採集現場資訊並進行指示、記錄和控制。80年代末出現了分佈式控制系統。目前正開發和研製電腦數據採集控制系統的多因數綜合控制系統。現在世界各國的溫室控制技術發展很快，一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發展。

國內溫室測控技術研究狀況，以集散控制系統和國內溫室測控技術為主，從80年代開始，我國的農業工程科技人員在吸收發達國家高科技溫室生產技術的基礎上，進行了溫室中溫度、濕度和CO2等單項環境因數控制技術的研究，並逐步推出適宜我國經濟發展水準又能滿足不同生態氣候條件需要的溫室產品。

20世紀90年代初期，中國農業科學院農業氣象研究所和蔬菜花卉研究所，研製開發了溫室控制與管理系統，並採用Visual Basic開發了基於windows操作系統的控制軟體。90年代中後期，江蘇理工大學毛罕平等研製開發了溫室軟硬體控制系統，能對營養液系統、溫度、光照、CO2，施肥等進行綜合控制，是目前國產化溫室電腦控制系統較為典型的研究成果。可以看出我國溫室設施電腦應用與研究，在總體上正從消化吸收、簡單應用階段向實用化、綜合性應用階段過渡和發展。這些無疑對我國的溫室發展

起了積極的作用，但是與國外先進水準相比仍有一定的差距。

1.3 選題的目的和意義

溫室是農業大棚植物栽培生產中必不可少的設施之一，不同種類的植物對溫度及濕度等生長所需條件的要求也不盡相同，為它們提供一個更適宜其生長的封閉的、良好的生存環境，以提早或延遲花期，最終將會給我們帶來巨大的經濟效益。隨著現代科技的發展，電子電腦已用於控制溫室環境。該系統可自動控制加熱、降溫、通風。溫室環境自動化控制系統在大型現代化溫室的利用，是設施栽培高新技術的體現。我國的農業工程科技人員在吸收發達國家高科技溫室生產技術的基礎上，進行了溫室中溫度、濕度和CO2等單項環境因數控制技術的研究，並逐步推出適宜我國經濟發展水準又能滿足不同生態氣候條件需要的溫室產品。從而就可以利用電腦控制水、肥和溫室小氣候，自動調溫、調濕、調光，而且結構非常先進，促進了工廠化農業的大發展。

2 農業大棚環境智能控制的系統方案設計

目前,我國農村使用的簡易日光溫室絕大部分採用手動控制,生產效率低下,單位產品的生產成本偏高。隨著溫室產業的發展,溫室作物趨向於多樣化,對溫室的控制要求也隨之提高,手動控制因其控制精度低已開始不能滿足溫室生產的需求,需要設計一種控制器減少手動控制。而當今國內常見的智能溫室系統都是採用工控機,價格昂貴,較大部分用戶經濟能力承受不起。因此,在系統的設計過程中要充分考慮用戶的經濟承受能力,減少溫室設計中的各種成本,提高勞動生產率,這在溫室上具有較為深遠的意義。為此,針對簡易日光溫室對溫度、濕度以及光照度等環境因素的控制要求,設計和開發了基於單片機的低成本溫室自動化控制系統。

溫室內氣溫、地溫對作物的光合作用、呼吸作用、根系的生長和水分、養分的吸收有著顯著的影響，因此影響作物生長發育的環境條件中，以溫度最為敏感，也最為重要，對溫室環境控制的研究也是最先從溫度控制開始的。不同種類的作物對溫度的要求是不同的，同一作物在不同發育階段對溫度的要求亦有所不同，而且在同一發育期階段內對溫度的要求也會隨著晝夜變化而呈週期性地變化。一般說來在白天作物進行光合作用需要的溫度較高，晚上維持呼吸作用所需的溫度要低一些。另外溫室內的氣溫要受到太陽輻射強度和室外氣溫變化的影響，在溫室環境自動控制系統的研製中應該考慮到這種情況。作物生長發育適宜的溫度，隨種類、品種、生育階段及生理活動的變化而變化。為

了增加光合產物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，隨著光照強度的變化，實行變溫管理是一種很有效的管理方法。

2.1 控制方案設計

植物的生長是在一定環境中進行的,在生長過程中受到環境中各種因素的影響,其中對植物生長影響最大的是溫度、濕度和光照度。環境中晝夜的溫度、濕度和光照度的變化大,對植物生長極為不利。現代溫室有內外遮陽系統、加溫系統、自然通風系統、濕簾風機降溫系統、補光系統、補氣系統、環流風機、灌溉系統、施肥系統、自動控制系統等常用的環境系統，能夠對植物的生長進行合理的控制,而如何才能合理地控制這些配套設備的運作和協同則需要有一套完善的硬、軟體溫室系統進行控制。因此,本系統就是利用價格便宜的一般電子器件來設計一個參數精度高,控制操作方便,性價比高的應用於農業種植生產的溫室大棚測控系統。該系統由單片機對溫度、濕度等參數進行巡迴測量,並對測量的結果進行優化補償,並進行調控,此外主控制器還可以同時完成系統參數測量,數據存儲等，硬體總體設計結構如圖2.1所示。由圖2.1可知,整個系統採用單片機為處理核心,通過溫室現有的各種感測器檢測溫室的溫度、濕度、光照度等環境因素,經由控制系統傳輸到CPU中,並與系統設定值進行比較、判斷、處理以及相關數據的存儲。然後將CPU處理後各種控制結果傳送到電機和電磁閥等執行機構上,從而實現對溫室的控制。溫室獨立控制系統上還包擴各種人機介面和數據傳輸介面,實現了人機交換方式以及即時參數的設定。

圖2.1 總體結構圖

2.2 系統硬體結構

整個系統採用模組化設計，硬體結構由感測器和單片機、控制裝置組成，感測器將物理參量轉換為電壓並完成信號的調理，再送人模數轉換器ADC0808 ,由下位單片機AT89C51讀取，單片機將數據通過RS232匯流排送給上位機，上位機設有顯示功能，根據預先設置的參數決定要採取的措施，並將資訊傳給下位機，由下位機控制通風和噴灌裝置，也可以通過鍵盤強制控制。智能溫室大棚控制系統的組成基於兩個方面：單棟溫室大棚控制系統和集約化生產連棟溫室大棚控制系統。後者建立在前者的基礎上，前者適於我國農村個體經營的現狀。對於單棟溫室大棚控制系統，設置了獨立的控制和顯示等功能，並設置了RS-232 和RS-485通訊介面，便於和上位機通信，實現集散控制系統，其模式如圖2.2。另外，在設計過程中考慮到農生產的特點，每個系統的各部分介面都作了模組化設計，並增加備用介面和功能，便於大棚生產重建和生產場地的變化，也增加了系統的通用性，擴大了適用範圍。

圖2.2 集散控制系統實現

2.3 溫室大棚的硬體組成

2.3.1 感測器

本系統設計了對與作物生長發育有關的環境溫度、濕度、光照度、CO2含量及土壤水量等參數進行採集的功能，實現溫室大棚內各種參數的數據採集任務，感測器負責對溫室環境因數的採集，將採集信轉換為0-5伏的電壓信號，送入ADC0809, 再經過數模轉換, 供單片機使用，而使用的各種類型感測器，分別介紹如下：

1. 溫度感測器

DS18B20溫度感測器的選擇餘地較大可選用集成溫度感測器鉑電阻感測器及數字式感測器本系統採用廣州市科技發展公司自動化研究室生產的“可選通式溫度感測器”型號為KSG。優點是內置選通碼和數字信號傳輸，測溫範圍為-10℃-50℃，精度為：≤0.3℃，適用於遠距離傳輸。

2.濕度感測器

溫室的濕度如果能控制在一定範圍內，則可以大大降低雙黴病、炭黴病及疫害病的發病率。本系統的濕度感測器選用濕度感測器HS1101, 該感測器採用熱固,聚脂電容式傳感頭, 同時在內部集成了信號處理功能電路。

3. 光照感測器

光照感測器RHD-18選用矽太陽能電池的感應元件及濾光系統構成光照感測器, 該感測器將0-150000LX的光照信號轉換為電壓信號，此信號經運放電路放大為0ⅴ-5ⅴ電壓輸出。

4. 土壤濕度感測器

RHD-100土壤濕度感測器採用邯鄲瑞華電子有限公司生產的土壤濕度感測器，該感測器由陶頭、塑膠連接管、壓阻感測器、真空表頭四部分組成，該感測器輸出為電壓值此電壓值雖能反映出土壤水勢的狀態變化但它不能直觀地反映土壤水勢指標值，所以需對感測器進行重新標定。

5. 土壤溫度感測器

RHD-20土壤溫度感測器是用來測量感測器周圍環境溫度參數,轉換成模擬量信號輸出,提供給採集設備.適用範圍：廣泛應用於氣象、環境、農業、林業、水利、電力、科研等需要測量土壤溫度的領域。

6. CO2感測器

CO2感測器選用RHD-21感測器，此感測器具有精度高，選擇性好，濃度檢測範圍大等特點，此感測器將品質分數範圍在0-1000×10-6濃度的CO2轉換為0-5ⅴ電壓輸出。感測器輸出的電壓信號，直接送至A/D轉換器，經A/D轉換後由單片機進行相應的運算、顯示和儲存。

7.露點溫度感測器

露點溫度感測器選用ALS100，產品具有以下顯著優點：穩定性好，可靠性高，能輸出穩定的模擬信號，經A/D轉換後由單片機進行相應的運算、顯示和儲存。

8.葉面濕度感測器

葉面濕度感測器感測器可測量植物葉片表面水份的百分比含量，採用電阻測量原

理，它由表面感應格珊和信號變送器組成，使用時將感測器安裝被測植物葉片附近，感測器將模擬植物葉片獲得水份的過程

2.3.2 單片機控制系統和微機系統

它主要包括：ADC0809數模轉換、單片機89C51、繼電器、侍服電機、本系統

配備了89C51、ADC0809等晶片, 具有較強的抗干擾能力微機系統採用普通的微機即

可。

1. A/D 轉換

該設計選用ADC0809 把各被檢測電壓信號轉換為數字信號送至主控制器，其優點在於換精度高，抗干擾能力強，線性度高，並可通過軟體程下直接實現溫度、土壤含水率等參數的切換。這裏選擇應用廣泛的逐次逼近式ADC0809晶片。ADC0809管腳配置如圖2.3所示。

IN-026

msb 2-1212-220IN-127

2-3192-418IN-228

2-582-615IN-31

2-714ls b 2-817IN-42

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12CLOCK 10U?ADC0809

多路模擬開關以及通道地址解碼和鎖存電路，因此能夠對多路模擬信號進行分時採集與轉換。ADC0809是8位逐次比較式A/D轉換晶片，28引腳，雙列直插封裝，具有地址鎖存控制的8路模擬開關，應用單一+5V電源，其模擬輸入電壓範圍為0～十5V，對應的轉換數字量為OOH-FFH，轉換時間為100us,無須調零或調整滿量程。因此能夠實現8路模擬信號的分時採集和轉換(每個瞬間只能轉換一路)，轉換後的數據送入三態輸出數據鎖存器。

A/D轉換原理及過程:ADC0809最多允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換，由A, B, C編碼選擇通道號通過最高位(D N-1，)至最低位Do的逐次檢測來逼近被轉換的輸入電壓。A/D轉換過程主要包括採樣量化及編碼。採樣是使模擬信號在時間上離散化，量化及編碼是把採樣後的值按比例變換成相應的二進位數碼口如8位A/D轉換器所採集到的0-5V電壓轉換成為OOH-FFH相對應的數字量。通過數字量的運算比較的結果實現對模擬量的測量及控制。

2. 系統控制器

該設計選用20K 位元組記憶體記憶體和內部256 位元組RAM 的單片機AT89C51作為主控器。該系統由單片機對溫度濕度等參數進行巡迴測量，並對測量的結果進行優化補償，並進行調控，此外，主控制器還可以同時完成系統參數測量，數據存儲，以及與上位機通信等功能。主控器控制功能主要包括調濕、調溫和室外保溫等控制。調濕，通過AT89C51 控制加熱爐和風機完成升溫，室內降溫主要通過排氣扇完成和風機完成。土壤調濕主要通過澆水、加肥來實現，可自動完成或採用輔助報警，由人工完成。室外保溫通風調光主要採用自動或半自動得外部設備完成。

2.4 溫室大棚的軟體組成

系統軟體設計包括單片機程式設計和微機程式設計。

2.4.1 單片機軟體組成

它的主要功能模組有：採集模組、控制模組、通訊模組。

1. 採集模組

採集模組主要完成對ADC0809的通道的控制和轉換結果的讀取，並將結果暫存人數據區。通過對AT89C51定時器T0的計數實現定時，每15min 採集1 次，用定時器T ,定時來確定三個參量的採集時間間隔，定為0.50s 。溫室內佈置有溫度、濕度、土壤水分、光照感測器、溫度感測器將採集的信號送到89C51內的定時器T0的輸入端, 通過對定時器T0的計數,實現溫度的採集;濕度、土壤水分、光照感測器採集的電壓值分別通過校正，轉換為標準的0ⅴ-5ⅴ電壓，送到ADC0809 的輸入端，再經過數模轉換，變換為數字信號，送到89C51。由於感測器、ADC0809 的採集、轉換速度快，一分鐘內可以採集成千上萬條數據，溫室內環境因數變化沒有這麼快，在實際應用中，沒有必要對這些數據都進行處理，所以要對採集的週期加以控制。本實驗每五分鐘採集一次溫度、濕度、土壤水分、光照感測器，將採集值送到89C51。

2. 控制模組

控制模組分溫度控制、空氣濕度控制、光照控制、土壤濕度控制。根據不同的控制要求,發出不同的控制信號, 通過繼電器、行程開關、電機, 控制開關窗、屋頂噴淋、遮陽網、滴灌, 達到即時控制的要求控制模組實現對通風和噴灌裝置的控制，當接收到上位機的控制信號時，將相應的引腳置零即可開通通風和噴灌裝置。控制模組分溫度控制、濕度控制、光照控制，當溫室內的溫度高於設定的溫度上限時，通過開窗裝置開窗通風，噴淋裝置在屋頂上噴淋，達到溫室降溫的目的，當溫室內的溫度低於設定的溫