硬件單片機實(shí)現溫室智能控制

近年來(lái)，溫室環(huán)境控制在國內外得到了相應的研究和應用。國內現有的智能溫室系統硬件大部分從國外引進(jìn)，國外的系統是經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，在技術(shù)上是比較成熟與先進(jìn)的。但在我國的應用中出現了一些問(wèn)題，如體積大、能耗大、溫室降溫較差、在我國使用不適應。從經(jīng)濟效益上看，因其設備投資大，運行費用高，普遍虧損。“林木種苗工廠(chǎng)化生產(chǎn)環(huán)境控制設備與自動(dòng)化控制集成應用研究示范”是我們自主開(kāi)發(fā)的智能溫室監控系統，該系統對于實(shí)現農業(yè)精細化、自動(dòng)化生產(chǎn)，提高農業(yè)生產(chǎn)的效率與農產(chǎn)品的質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用。

系統硬件相關(guān)技術(shù)指標要求如下：

( 1) 對現場(chǎng)空氣溫度濕度，土壤基質(zhì)溫度濕度，光照強度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數據采集、數據信號處理、數據分析。數據采集時(shí)延 3min，數據精度達到10 位，根據農作物實(shí)際生長(cháng)情況，溫度控制精度 3℃，濕度控制精度 10% RH 。

( 2) 建立使用可擴展的主從控制器通信機制，準確通信距離可達1. 2km。

( 3) 使用可學(xué)習、自適應的控制機制，實(shí)現精確控制。

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

( 5) 溫度年漂移量 0. 1℃ ，濕度年漂移量 1% RH。

1 方案設計和器件選型

1. 1 方案設計

根據項目和具體的技術(shù)指標需求，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，并且它規定在一條單總線(xiàn)( 2 線(xiàn)) 上支持32 個(gè)驅動(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8 倍以上的節點(diǎn)數連接到相同總線(xiàn)。由于性能優(yōu)異、結構簡(jiǎn)單、組網(wǎng)容易，多站互連時(shí)可節省信號線(xiàn)，便于高速、遠距離傳送。

為保證溫室控制系統可靠性，將系統設計為三級主從控制系統。以ARM 系列單片機為中間主控制器，模塊化下位的數據采集和控制單元以便于系統的擴展。上位服務(wù)器直接面向網(wǎng)絡(luò )，保存下位采集數據。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據采集與控制單元。具體結構如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

1. 1.1 采集器功能

( 1) 及時(shí)可靠地采集溫室現場(chǎng)中溫室溫度、濕度，土壤溫度、濕度，光照強度數據。

( 2) 對數據作初步的采集處理以及兩次完全采集存儲。

( 3) 接受判別主控制器指令，傳遞數據。

1. 1.2 控制器功能

( 1) 識別主控制器控制指令。

( 2) 執行控制指令。

1. 1.3主控制器功能

( 1) 測量數據采集和監測

通過(guò)485 串口與測量終端通信，收集測量終端監測的溫室環(huán)境指標。如果終端測量到的數據超出了預設的環(huán)境參數指標，由主控制器實(shí)現監測報警，提醒觀(guān)測人員注意溫室環(huán)境超出指標范圍。

( 2) 測量數據存儲和傳送

把各終端的數據存儲于主控制器的外插的SD 卡中，要求能夠存儲一個(gè)月以上的各終端測量數據。也可以通過(guò)以太網(wǎng)與任意聯(lián)入局域網(wǎng)的PC 機通訊，將存儲數據傳送到PC 機上保存。 ( 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)現以太網(wǎng)通信，系統具備TCP /IP 協(xié)議棧，能夠在TCP 和UDP 協(xié)議層上構建應用層網(wǎng)絡(luò )通信，HTTP 網(wǎng)頁(yè)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，設置環(huán)境參數采樣間隔，參數指標閾值等。根據檢測數據和控制目標及時(shí)的完成控制理論計算。向下位控制器發(fā)送控制指令。要求主控制器具備現場(chǎng)操控，和遠程操控兩種操作方式。既可以由現場(chǎng)操作主控制器查看終端測量數據，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(yè)中顯示測量數據，并在網(wǎng)頁(yè)中加入CGI 功能，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現遠程控制。