西瓜溫室生產(chǎn)溫濕度控制系統——以華東地區為例

一、項目概述

1.1 引言

溫室是一種可以改變植物生長(cháng)環(huán)境、為植物生長(cháng)創(chuàng )造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場(chǎng)所。它以采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(cháng)的季節栽培植物。溫室生產(chǎn)以達到調節產(chǎn)期，促進(jìn)生長(cháng)發(fā)育，防治病蟲(chóng)害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標是提高控制與作業(yè)精度。隨著(zhù)農業(yè)現代化的發(fā)展，設施農業(yè)工程因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，己越來(lái)越受到世界各國的重視。這也為我國大型現代化溫室的發(fā)展提供了極好的機遇，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。本項目以ATmega16a4芯片為控制芯片，設計了一套適用于當前西瓜溫室生產(chǎn)的溫度和濕度自動(dòng)控制系統。

1.2 項目背景

中國作為一個(gè)農業(yè)大國，“三農”問(wèn)題關(guān)系到國民素質(zhì)、經(jīng)濟發(fā)展，關(guān)系到社會(huì )穩定、國家富強、民族復興。“十二五”發(fā)展規劃中現代農業(yè)是的重中之重，我國農業(yè)生產(chǎn)靠天吃飯的局面仍未根本改變。農業(yè)基礎設施條件還比較差，抗御自然災害能力較弱。

溫室是現代西瓜生產(chǎn)中必不可少的設施之一，溫度和濕度是影響西瓜生長(cháng)發(fā)育很重要的兩個(gè)因子。西瓜為耐熱性作物，在整個(gè)生長(cháng)發(fā)育過(guò)程中需要有較高的溫度。但不同生長(cháng)時(shí)期所需要的溫度和濕度是不同的。我們通過(guò)搜集資料了解了西瓜的各個(gè)時(shí)期生長(cháng)所需的溫度和濕度后，將其列成表格儲存到單片機里，讓單片機在各個(gè)時(shí)段控制其所需的溫度和濕度。為西瓜提供一個(gè)最適宜其生長(cháng)的封閉的、良好的環(huán)境，以提早成熟，最終將會(huì )給我們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。隨著(zhù)現代科技的發(fā)展，很多控制芯片已用于控制溫室環(huán)境?？刂葡到y由中央控制裝置、終端控制設備、傳感器等組成。溫室環(huán)境自動(dòng)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(shù)的體現。目前很多農村地區都應用溫室種植西瓜但還是處于初級保溫階段，并不能實(shí)現溫度、濕度的自動(dòng)控制，這種種植方式不適合農業(yè)規?；a(chǎn)，因此西瓜生產(chǎn)溫室自動(dòng)化系統呼之欲出。

二、需求分析

2.1 功能要求

溫室溫濕度的檢測及控制通過(guò)AVR單片機來(lái)實(shí)現。每年隨著(zhù)季節的變化西瓜生長(cháng)所需的溫度和濕度也不同，我們先編制出溫室西瓜各生育階段最適溫度濕度條件的管理程序表，存儲于AVR單片機的記憶裝置中，AVR單片機根據程序表確認、修正各棟溫室內的參數，并給終端控制系統指令。各傳感器向AVR單片機輸送檢測信息，根據AVR單片機的指令輸出控制信號，使電器機械設備執行動(dòng)作，實(shí)現溫室溫濕度調節。

（1）溫度需求

經(jīng)過(guò)了解，西瓜的生長(cháng)所需要的最低溫度為10℃，最高溫度為40℃。最適合溫度為25——30℃。西瓜不同生長(cháng)期對溫度要求不同，發(fā)芽期最是溫度28——30℃，幼苗期最適溫度22——25℃，抽蔓期最適溫度為25——28℃，結果期的最適溫度為30——35℃。

當溫度過(guò)低時(shí)，會(huì )降低葉片的光合速率，延遲作物的生長(cháng)發(fā)育，降低果蔬品質(zhì)。而溫度過(guò)高則會(huì )造成葉片和花的生長(cháng)速度以及果實(shí)成熟的速度加快，使整個(gè)作物的生長(cháng)受到抑制。植物的呼吸作用、光合作用和生長(cháng)發(fā)育，明顯受晝夜溫度變化的影響。另外西瓜在不同的生長(cháng)發(fā)育階段對溫度的要求都不同。溫室內冬季溫度一般較低，而夏季又偏高，常常不能滿(mǎn)足作物生長(cháng)的要求，需要對溫度進(jìn)行控制，使其保持在一段適宜的范圍內。溫度控制一般包括冬季的采暖和夏季的降溫。調節范圍一般為15-30℃，精度為0.1℃。

（2）濕度控制

濕度也是西瓜溫室環(huán)境控制中相當重要的一個(gè)指標。西瓜需水量較多，但它卻要求空氣干燥，空氣相對濕度為50%——60%時(shí)最為適宜。在幼苗期和伸蔓期適宜的濕度有利于根系和莖葉的生長(cháng)發(fā)育，較低的空氣濕度有利于果實(shí)成熟，并可提高其含糖量。溫室空氣的絕對濕度與相對濕度一般均大于露地?？諝鉂穸却?，會(huì )減少西瓜蒸騰量，作物不易缺水，有利于西瓜的生長(cháng)發(fā)育，但空氣濕度過(guò)大，則會(huì )使西瓜的莖葉生長(cháng)過(guò)旺，造成瘋長(cháng)，影響西瓜的開(kāi)花結果。此外，濕度過(guò)高還易造成病蟲(chóng)害的發(fā)生，并可能產(chǎn)生某些生理障礙，而過(guò)低的濕度將使西瓜受到水分脅迫而使生長(cháng)受阻。

溫室內空氣濕度受天氣、通風(fēng)換氣、采暖及作物蒸騰作用的影響。陰天溫室內空氣相對濕度一般在90%以上。晴天，夜間溫室處于密閉狀態(tài)，濕度較高，甚至會(huì )發(fā)生結霧現象;而到了白天，由于溫度升高，結霧消散，空氣相對濕度下降。經(jīng)常發(fā)生這樣的現象，會(huì )給西瓜帶來(lái)危害，因此需要對濕度進(jìn)行調節和控制。 濕度控制一般包括低溫、陰雨季節的除濕和高溫晴朗天氣的加濕。溫室的濕度調節范圍一般在60-80 % RH，精度為士5%.濕度的調控影響溫度，要求與溫度的調節按一定的程序進(jìn)行。

2.2 性能要求

1、基于A(yíng)VR單片機西瓜溫室生產(chǎn)溫濕度自動(dòng)控制系統

在西瓜溫室生產(chǎn)溫濕度自動(dòng)控制系統設計中，軟件、硬件緊密相關(guān)。多用硬件可減輕CPU負擔，提高工作速度。多用軟件可降低成本，但軟件人員的工作量增大。對于此系統，有些部分必須由硬件完成，有些部分必須由軟件完成，對于軟、硬件都可完成的交叉部分，應根據具體生產(chǎn)情況選擇最佳方案，以達到最佳性能價(jià)格比。

（1）硬件設計

①經(jīng)濟合理

系統硬件設計中，一定要注意在滿(mǎn)足西瓜生產(chǎn)環(huán)境所需的性能指標的前提下，盡可能地降低價(jià)格，以便得到高的性能價(jià)格比，這是硬件設計中優(yōu)先考慮的一個(gè)主要因素，也是此系統爭取市場(chǎng)和快速推廣的主要因素之一。

②安全可靠

設計系統和選購設備時(shí)要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、粉塵等要求，以保證在西瓜生產(chǎn)環(huán)境下，系統性能穩定、工作可靠。要有超量程和過(guò)載保護，保證輸入、輸出通道正常工作。要注意對交流市電以及電火花等的隔離。要保證連接件的接觸可靠。

③有足夠的抗干擾能力

有完善的抗干擾措施，是保證系統精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件。例如強電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，高輸入阻抗下的防止漏電等。

（2）軟件設計

①結構合理

程序應該采用結構模塊化設計。這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴充，而且也有利于程序的修改和維護。另外項目團隊中的每個(gè)人可以負責一部分，可以提高效率。

②操作性能好，使用方便

盡量減少操作步驟，系統使用對象大多數是農民，所以系統越簡(jiǎn)單才越能夠普及。

③具有一定的保護措施

系統應設計一定的檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序，以便系統發(fā)生故障時(shí)，便于查找故障部位。對于重要的參數要定時(shí)存儲，以防止因掉電而丟失數據。

④提高程序的執行速度

⑤給出必要的程序說(shuō)明

⑥給出系統的使用說(shuō)明

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

系統硬件結構框圖

系統功能實(shí)現原理說(shuō)明：

溫室的環(huán)境調控最終要通過(guò)一系列的執行機構來(lái)實(shí)現。系統溫室的執行機構系統由自然通風(fēng)系統，遮陰與保溫系統，降溫系統，加熱系統和增濕系統組成。系統中這些執行機構均采用繼電器或電磁閥控制電機正轉、反轉與停止、報警器的開(kāi)停，均為開(kāi)關(guān)量輸入。

華東地區夏季炎熱，室外溫度在35℃以上，溫室里會(huì )超過(guò)40℃甚至達到50℃。這時(shí)，僅靠自然通風(fēng)降溫是遠遠不夠的。溫室降溫方法除天窗和側窗自然通風(fēng)外主要有:外遮陰，軸流風(fēng)機強制通風(fēng)，屋頂噴淋降溫、彌霧降溫等。系統把這些降溫方式進(jìn)行綜合，根據溫差大小來(lái)啟動(dòng)不同的降溫設備。

冬季加溫的方式主要有:內遮陰保溫，熱風(fēng)加溫，熱水加溫，電加溫等。熱水加溫運行穩定可靠，也是華東地區大型溫室普遍采用的加溫方式。所以系統采用內遮陰和熱水管道共同保溫。

華東地區冬季不是特別干燥，加濕控制一般通過(guò)噴霧和控制灌水量等方法來(lái)實(shí)現。而在炎熱高濕的夏季，特別是采用降溫效果明顯的濕簾風(fēng)機降溫會(huì )提高75-80%的空氣相對濕度，給溫室除濕帶來(lái)了很大難度。除了開(kāi)啟天窗、側窗自然通風(fēng)外，需要配合使用環(huán)流風(fēng)機和軸流風(fēng)機來(lái)加強除濕效果，有時(shí)甚至要開(kāi)啟除濕機。

（1）自然通風(fēng)系統

自然通風(fēng)系統包括熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)，它的基本要求是能夠提供足夠的通風(fēng)量，有效調控室內溫度、濕度，達到滿(mǎn)足室內西瓜正常生長(cháng)要求的條件。自然通風(fēng)系統主要用于通風(fēng)換氣和夏季的降溫，又可起到排除濕氣的作用。 自然通風(fēng)系統由側窗及相應的開(kāi)窗機構組成。自然通風(fēng)系統的設置，要求有足夠的通風(fēng)能力的同時(shí)，室內氣流應合理分布，通風(fēng)系統還能方便調節。為保證良好的熱壓通風(fēng)效果，應使通風(fēng)的進(jìn)、排風(fēng)口的高差盡可能大。一般在側墻下部設置進(jìn)風(fēng)窗口。在塑料薄膜溫室中，為了減少屋面覆蓋薄膜的接縫和方便開(kāi)窗機構布置，也將在溫室兩頭設窗口。側窗采用電力驅動(dòng)的齒輪齒條開(kāi)窗，既保證開(kāi)啟角度達到所需風(fēng)量，又能保證關(guān)閉后的密封效果和室內溫度。

（2）遮陰與保溫系統

遮陰系統是利用具有一定透光率的材料將一部分多余的光照進(jìn)行遮擋，既保證溫室作物正常生長(cháng)所需的光照，又防止多余的太陽(yáng)輻射能在溫室聚集，造成室內溫度過(guò)高。外遮陰直接將多余的太陽(yáng)輻射阻隔在室外，用于溫室的降溫和光照調節。內遮陰在溫室內部阻隔多余的太陽(yáng)輻射，降溫效果不如外遮陰，但當它與濕簾風(fēng)機降溫系統配合使用時(shí)，能大大提高降溫效能，使室內氣流更加通暢。另外，內遮陰可以阻隔溫室內的空氣對流，有效的反射夜間溫室內的紅外線(xiàn)輻射，使熱空氣留在作物生長(cháng)的空間，防止熱量通過(guò)輻射形式散失，具有保溫節能的作用。遮陰與保溫系統由外遮陰，內遮陰及其傳動(dòng)機構與動(dòng)力機構組成。內外遮陰均采用齒輪齒條傳動(dòng)機構進(jìn)行驅動(dòng)，運行安全可靠。

（3）降溫系統

華東地區炎熱的夏季室外氣溫往往接近37℃，而溫室內的溫度更是會(huì )超過(guò)45℃。這時(shí)單靠自然通風(fēng)系統是遠遠不能滿(mǎn)足溫室內的溫度控制要求的，所以需要啟動(dòng)降溫系統，保證溫度控制在適宜作物生長(cháng)的范圍內。溫室內的循環(huán)通風(fēng)能使空氣形成有序的流動(dòng)，保證室內氣候的均勻和穩定。機械通風(fēng)是依靠風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)壓強制空氣流動(dòng)，作用能力強，通風(fēng)效果穩定。而通過(guò)強迫空氣運動(dòng)和增大空氣與水接觸面積的蒸發(fā)降溫可以提高濕熱交換率，是現代溫室夏季生產(chǎn)環(huán)境調控中應用最為廣泛和有效的降溫技術(shù)之一。

降溫系統由環(huán)流風(fēng)機，機械通風(fēng)風(fēng)機組噴霧降溫系統組成。溫室循環(huán)通風(fēng)選用簡(jiǎn)潔型的環(huán)流風(fēng)機，懸掛在溫室骨架上，方便操作并避免直接吹向作物表面。機械通風(fēng)選用負壓排風(fēng)方式的軸流式風(fēng)機，安裝在溫室下風(fēng)向的山墻上。噴霧降溫設備選用高壓細霧系統，通過(guò)一臺高壓主機產(chǎn)生較大的壓力，將經(jīng)過(guò)過(guò)濾的凈水送入管路，再由各處的噴頭霧化噴出，超細霧顆粒在落下之前被蒸發(fā)，起到降溫的作用。噴霧降溫需配合風(fēng)機使用。

（4）加熱系統

加熱系統有提高室內溫度、促進(jìn)室內空氣流動(dòng)和降低空氣濕度的作用。華東地區的連棟溫室，尤其是西瓜生產(chǎn)溫室和育苗溫室，冬季生產(chǎn)也需要進(jìn)行加溫或臨時(shí)加溫。用熱水采暖系統調節溫度可達到較高的穩定性和均勻性，雖然一次性投資較多，循環(huán)動(dòng)力較大，但對于大型的溫室群而言，熱損失小，運行比較經(jīng)濟。加熱系統由鍋爐，熱水輸送管道，循環(huán)水泵和各種閥門(mén)組成。閥門(mén)的開(kāi)關(guān)用單片機間接控制。

（5）增濕系統

溫室是個(gè)相對封閉的生產(chǎn)設施，自然降雨不能被直接利用，溫室內的作物需要的水分完全依靠人工灌溉來(lái)保證。微灌是特點(diǎn)是灌水流量小，一次灌水延續時(shí)間長(cháng)，周期短，能夠較精確地控制灌水量，把水和養分直接輸送到作物根部附近的土壤中或葉面，滿(mǎn)足作物生長(cháng)發(fā)育的需要。微灌可以分為以斷續滴出方式出流的滴灌，以噴灑方式出流的微噴灌和以微孔隙緩慢滲出出流的滲灌等。

微灌系統由水源，首部樞紐，輸配水管網(wǎng)和灌水器以及流量、壓力控制部件和量測儀表組成。滴灌滴頭選用內鑲式滴灌管，噴灌噴頭采用旋轉式，省水且能耗低，微噴霧化好，能有效提高溫室濕度。灌溉用電磁閥控制，實(shí)現自動(dòng)化合理供給。

注：本項目最終會(huì )做出一個(gè)溫室模型，以上所描述的各種設備將用功能類(lèi)似的模型代替。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

ATmega16a4，電機，繼電器，電磁閥，傳感器（溫度、濕度、光照、壓力、風(fēng)力等）

3.3系統軟件架構

3.4 系統軟件流程

程序運行流程圖

本項目使用溫度傳感檢測當前瓜田溫度，用三位數碼管顯示當前溫度值，單片機可通過(guò)鍵盤(pán)設置適合西瓜生產(chǎn)的溫度上限而和溫度下限，并保存到存儲器中。

上電后，單片機進(jìn)行初始化。然后進(jìn)入計時(shí)程序，采集外部溫度，與各個(gè)時(shí)間段設置的溫度進(jìn)行比較，不合格就進(jìn)入溫度處理子程序并進(jìn)行語(yǔ)音報警，讓執行溫度的系統繼續運行，系統進(jìn)入濕度測量，判斷是否與當前系統內設定好的溫度符合，不符合就轉入濕度子程序并進(jìn)行語(yǔ)音報警。讓濕度調節器件繼續調節濕度，系統繼續去外部溫度和濕度進(jìn)行判斷，并給予相應執行動(dòng)作。

3.5 系統預計實(shí)現結果

制作出系統模型，能夠仿真運行，當外界環(huán)境改變時(shí)達到自動(dòng)調節溫室的溫度和濕度。