硬件單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫室智能控制

近年來，溫室環(huán)境控制在國內(nèi)外得到了相應(yīng)的研究和應(yīng)用。國內(nèi)現(xiàn)有的智能溫室系統(tǒng)硬件大部分從國外引進(jìn)，國外的系統(tǒng)是經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，在技術(shù)上是比較成熟與先進(jìn)的。但在我國的應(yīng)用中出現(xiàn)了一些問題，如體積大、能耗大、溫室降溫較差、在我國使用不適應(yīng)。從經(jīng)濟(jì)效益上看，因其設(shè)備投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，普遍虧損。“林木種苗工廠化生產(chǎn)環(huán)境控制設(shè)備與自動(dòng)化控制集成應(yīng)用研究示范”是我們自主開發(fā)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)化、自動(dòng)化生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率與農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用。

系統(tǒng)硬件相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求如下：

( 1) 對(duì)現(xiàn)場空氣溫度濕度，土壤基質(zhì)溫度濕度，光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)采集時(shí)延 3min，數(shù)據(jù)精度達(dá)到10 位，根據(jù)農(nóng)作物實(shí)際生長情況，溫度控制精度 3℃，濕度控制精度 10% RH 。

( 2) 建立使用可擴(kuò)展的主從控制器通信機(jī)制，準(zhǔn)確通信距離可達(dá)1. 2km。

( 3) 使用可學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)精確控制。

( 4) 整套系統(tǒng)可以在0%—100% RH 的濕度范圍內(nèi)可靠使用10 年以上。

( 5) 溫度年漂移量 0. 1℃ ，濕度年漂移量 1% RH。

1 方案設(shè)計(jì)和器件選型

1. 1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目和具體的技術(shù)指標(biāo)需求，下位通信選用RS - 485 通信協(xié)議，RS - 485 是雙向、半雙工通信協(xié)議，符合真正多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)要求，并且它規(guī)定在一條單總線( 2 線) 上支持32 個(gè)驅(qū)動(dòng)器和32 個(gè)接收器。有些RS- 485 收發(fā)器可修改輸入阻抗以便允許將多達(dá)8 倍以上的節(jié)點(diǎn)數(shù)連接到相同總線。由于性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)容易，多站互連時(shí)可節(jié)省信號(hào)線，便于高速、遠(yuǎn)距離傳送。

為保證溫室控制系統(tǒng)可靠性，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)主從控制系統(tǒng)。以ARM 系列單片機(jī)為中間主控制器，模塊化下位的數(shù)據(jù)采集和控制單元以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。上位服務(wù)器直接面向網(wǎng)絡(luò)，保存下位采集數(shù)據(jù)。選用主控器自帶TCP /IP 功能與服務(wù)器通信，自帶RS485 通信功能連接下位數(shù)據(jù)采集與控制單元。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1. 1.1 采集器功能

( 1) 及時(shí)可靠地采集溫室現(xiàn)場中溫室溫度、濕度，土壤溫度、濕度，光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

( 2) 對(duì)數(shù)據(jù)作初步的采集處理以及兩次完全采集存儲(chǔ)。

( 3) 接受判別主控制器指令，傳遞數(shù)據(jù)。

1. 1.2 控制器功能

( 1) 識(shí)別主控制器控制指令。

( 2) 執(zhí)行控制指令。

1. 1.3主控制器功能

( 1) 測量數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測

通過485 串口與測量終端通信，收集測量終端監(jiān)測的溫室環(huán)境指標(biāo)。如果終端測量到的數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，由主控制器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測報(bào)警，提醒觀測人員注意溫室環(huán)境超出指標(biāo)范圍。

( 2) 測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳送

把各終端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于主控制器的外插的SD 卡中，要求能夠存儲(chǔ)一個(gè)月以上的各終端測量數(shù)據(jù)。也可以通過以太網(wǎng)與任意聯(lián)入局域網(wǎng)的PC 機(jī)通訊，將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳送到PC 機(jī)上保存。 ( 3) 以太網(wǎng)通信

主控制器與服務(wù)器之間利用以太網(wǎng)通信，選擇的主控制器上需要帶有以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，系統(tǒng)具備TCP /IP 協(xié)議棧，能夠在TCP 和UDP 協(xié)議層上構(gòu)建應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)通信，HTTP 網(wǎng)頁服務(wù)器功能，TFTP、FTP 文件傳輸功能。

( 4) 終端控制

主控制器控制測量終端的測量特性，設(shè)置環(huán)境參數(shù)采樣間隔，參數(shù)指標(biāo)閾值等。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)和控制目標(biāo)及時(shí)的完成控制理論計(jì)算。向下位控制器發(fā)送控制指令。要求主控制器具備現(xiàn)場操控，和遠(yuǎn)程操控兩種操作方式。既可以由現(xiàn)場操作主控制器查看終端測量數(shù)據(jù)，又可以以主控制器作為WEB 服務(wù)器，在服務(wù)器提供的網(wǎng)頁中顯示測量數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)頁中加入CGI 功能，用戶可以通過網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。