第1章 绪 论
1.1 课题背景及研究意义
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中、小规模， 要在大棚内引人自 动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，结合郊区农户的需要， 设计了一套低成本的温湿度自动控制系统。该系统采用传感器技术和单片机相结合，由上位机和下位机( 都用单片机实现) 构成，采用485接口进行通讯，实现温室大棚自动化控制。
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。 1
在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。
目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。
1.2国内外温室控制技术发展概况
温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。
国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:
（1）手动控制。
这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。 （2）自动控制。
这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。 （3）智能化控制。
这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
1.3 选题的目的和意义
温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可自动控制加热、降温、通风。根据需要，通过按键将温度信息输入MCU，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。 本文将使用8051型单片机对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度、湿度等的控制系统。目的是通过这次毕业设 3
计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中。
第2章 温室大棚自动控制系统的控制方案设计
目前 ,我国农村使用的简易日光温室绝大部分采用手动控制 ,生产效率低下 ,单位产品的生产成本偏高。随着温室产业的发展 ,温室作物趋向于多样化 ,对温室的控制要求也随之提高 ,手动控制因其控制精度低已开始不能满足温室生产的需求 ,需要设计一种控制器减少手动控制。而当今国内常见的智能温室系统都是采用工控机或者 PLC方案 ,价格昂贵 ,较大部分用户经济能力承受不起。因此 ,在系统的设计过程中要充分考虑用户的经济承受能力 ,减少温室设计中的各种成本 ,提高劳动生产率 ,这在温室上具有较为深远的意义。为此 ,针对简易日光温室对温度、湿度以及光照度等环境因素的控制要求 ,设计和开发了基于 STC89C58RD +单片机的低成本温室自动化控制系统。
2.1 控制方案设计
植物的生长是在一定环境中进行的 ,在生长过程中受到环境中各种因素的影响 ,其中对植物生长影响最大的是温度、湿度和光照度。环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大 ,对植物生长极为不利。现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制 ,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。因此 ,本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高 ,控制操作方便 ,性价比高的应用于农业种植生产的温室大棚测控系统。该系统由单片机对温度、湿度等参数进行巡回测量 ,并对测量的结果进行优化补偿 ,并进行调控 ,此外主控制器还可以同时完成系统参数测量 ,数据存储等，硬件总体设计结构如图2.1所示。由图2.1可知 ,整个系统采用 STC89C58RD +单片机为处理核心 ,通过温室现有的各种传感器检测温室的温度、湿度、光照度等环境因素 ,经由控制系统的 8路模拟量、数字量输入接口传输到 CPU中 ,并与系统设定值进行比较、判断、处理以及相关数据的存储。然后将 CPU处理后各种控制结果通过 16路开关量输出口传送到电机和电磁阀等执行机构上 ,从而实现对温室的控制。温室独立控制系统上还包扩各种人机界面和数据传输接口 ,实现了人机交换方式以及实时参数的设定。本控制系统采用宏晶科技公司生产 STC 51系列单片机控制器 ( STC89C58RD + )。该单片机具有强加密性 ,无法解密，具有超强的抗干扰性能 ,且芯片内部自带看门狗。STC89C58RD +单片机最 5
高时钟频率为0～80MHz,32k的 Flash存储器、1280字节的RAM、拥有 P4口适合需要多 I/O的系统设计、16k字节的E2PROM可以提供比其它单片机更多的存储空间。其不需要依靠任何烧录器 ,直接通过电脑上的串口以ISP方式进行烧录。这种单片机的烧录方式操作简单容易 ,程序的调试灵活 ,修改方便 ,且不受地域、时间和环境的影响和限制 ,可为以后产品的改进和升级提供方便。
图2.1 总体结构图
2.2 系统硬件结构
整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器ADC0809 ,由下位单片机AT89S51读取，单片机将数据通过485总线送给上位机，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制通风和喷灌装置，也可以通过键盘强制控制。智能温室大棚控制系统的组成基于两个方面：单栋温室大棚控制系统和集约化生产连栋温室大棚控制系统。 6
后者建立在前者的基础上，前者适于我国农村个体经营的现状。对于单栋温室大棚控制系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了RS-232 和 RS-485通讯接口，便于和上位机通信，实现集散控制系统，其模式如图2.2。另外，在设计过程中考虑到农生产的特点，每个系统的各部分接口都作了模块化设计，并增加备用接口和功能，便于大棚生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性，扩大了适用范围。
图2.2 集散控制系统实现
2.3 温室大棚的硬件组成
温室大棚的硬件组成原理如图2.3所示：
图2.3 温室大棚系统的主要硬件组成原理图
2.3.1 传感器
本系统设计了对与作物生长发育有关的环境温度、湿度、光照度、CO2含量及土壤水量等参数进行采集的功能，实现温室大棚内各种参数的数据采集任务，传感器负责对温室环境因子的采集，将采集信转换为0-5伏的电压信号，送入ADC0809, 再经过数模转换, 供单片机使用，而使用的各种类型传感器，分别介绍如下：
1.温度传感器
温度传感器的选择余地较大 可选用集成温度传感器 铂电阻传感器及数字式传感器本系统采用广州市科技发展公司自动化研究室生产的“可选通式温度传感器” 型号为KSG。优点是内置选通码和数字信号传输，测温范围为-10℃-50℃，精度为：≤0.3℃，适用于远距离传输。
2.湿度传感器
温室的湿度如果能控制在一定范围内，则可以大大降低双霉病、炭霉病及疫害病的发病率。 本系统的湿度传感器选用 Honeywell公司的集成湿度传感器HIH3610, 该传感器采用热固,聚脂电容式传感头, 同时在内部集成了信号处理功能电路, 因此该传感器可完成将相对湿度值转换为线性电压输出的任务。传感器的输出电压为 0.8ⅴ-3.9ⅴ，A/D 采集电路的标准电压为0ⅴ-5ⅴ,故需进行电压变换。该传感器的性能指标如表2.1所示。但当该湿度传感器工作的温度发生变化时，相同的湿度值，其输出电压值也将不同，其输出电压与湿度的关系曲线如图2.4所示，因此该传感器在使用时还需进行温度补偿。
表2.1 HIH3610相对湿度传感器的性能指标
参数
RH精度 RH互换性 RH线性 RH迟滞 RH重复性 RH反应时间 RH稳定性 供电电压 消耗电流 输出电压 温度补偿
指标
±2%RH，13%～100%RH非凝结，25℃（供电电压=5VDC）
±5% RH,0%～-60% RH ±0.5% RH典型值 ±1.2%的RH最大量程 ±0.5%RH
30s，慢流动的空气中
±1%RH典型值，50%RH，5年时间内 4～9VDC（传感器在5 VDC下标定） 0.2mA 5 VDC,2mA典型值 9 VDC V1=V0[0.0062(sensor%RH)-0.16] RH=(sensor %RH)/(1.0546-0.0216) 8
图2.4 HIH3610输出电压与湿度的关系曲线
3.光照传感器
光照传感器选用硅太阳能电池的感应元件及滤光系统构成光照传感器, 该传感器将0-150000LX的光照信号转换为电压信号，此信号经运放电路放大为0ⅴ-5ⅴ电压输出。
4.土壤水分传感器
土壤水分传感器采用中科院南京土壤研究所研制的电阻式土壤湿度传感器，该传感器由陶头、塑料连接管、压阻传感器、真空表头四部分组成，该传感器输出为电压值 此电压值虽能反映出土壤水势的状态变化 但它不能直观地反映土壤水势指标值，所以需对传感器进行重新标定。
5.CO2传感器
CO2传感器选用红外线气敏传感器，此传感器具有精度高，选择性好，浓度检测范围大等特点，此传感器将质量分数范围在0-1000×10-6浓度的CO2转换为0-5ⅴ电压输出。传感器输出的电压信号，直接送至A/D转换器，经A/D转换后由单片机进行相应的运算、显示和储存。
2.3.2 单片机控制系统和微机系统
它主要包括：ADC0809 数模转换、单片机89C
51、继电器、侍服电机、本系统采用启动三环计算机厂生产的 SCB-51-IU 单片机应用板,,采用片选法 配备了89C
51、276
4、ADC080
9、8155等芯片, 具有较强的抗干扰能力微机系统采用普 9
通的微机即可。
1.A/D 转换
该设计选用ADC0809 把各被检测电压信号转换为数字信号送至主控制器，其优点在于换精度高，抗干扰能力强，线性度高，并可通过软件程下直接实现温度、土壤含水率等参数的切换。
2.系统控制器
该设计选用20K 字节内存存储器和内部256 字节RAM 的单片机 AT89C55作为主控器。该系统由单片机对温度湿度等参数进行巡回测量，并对测量的结果进行优化补偿，并进行调控，此外，主控制器还可以同时完成系统参数测量，数据存储，以及与上位机通信等功能。主控器控制功能主要包括调湿、调温和室外保温等控制。调湿，通过AT89C55 控制加热炉和风机完成升温，室内降温主要通过排气扇完成和风机完成。土壤调湿主要通过浇水、加肥来实现，可自动完成或采用辅助报警，由人工完成。室外保温通风调光主要采用自动或半自动得外部设备完成。键盘和显示由HD7279A完成。
2.4 温室大棚的软件组成
系统软件设计包括单片机程序设计和微机程序设计。
2.4.1 单片机软件设计
它的主要功能模块有：采集模块、控制模块、通讯模块。 1.采集模块
采集模块主要完成对ADC0809的通道的控制和转换结果的读取，并将结果暂存人数据区。通过对AT89S51定时器T0的计数实现定时，每15min 采集1 次，用定时器T ,定时来确定三个参量的采集时间间隔，定为0.50s 。温室内布置有温度、湿度、土壤水分、光照传感器、温度传感器将采集的信号送到89C51内的定时器T0的输入端, 通过对定时器 T0的计数,实现温度的采集; 度、土壤水分、光照传感器采集的电压值分别通过校正，转换为标准的0ⅴ-5ⅴ电压，送到ADC0809 的输入端，再经过数模转换，变换为数字信号，送到89C51。由于传感器、ADC0809 的采集、转换速度快 ，一分钟内可以采集成千上万条数据，温室内环境因子变化没有这么快 ，在实际应用中，没有必要对这些数据都进行处理， 所以要对采集的周期加以控制 。本实验每五分钟采集一次温度、湿度、土壤水分、光照传感器 ，将采集值送到89C51。
2.控制模块
控制模块分温度控制、空气湿度控制、光照控制、土壤湿度控制。根据不同的控制要求,发出不同的控制信号, 通过继电器、行程开关、电机, 控制开关窗、屋顶喷淋、遮阳网、滴灌, 达到实时控制的要求控制模块实现对通风和喷灌装置的控制，当接收到上位机的控制信号时，将相应的引脚置零即可开通通风和喷灌装置。控制模块分温度控制、湿度控制、光照控制，当温室内的温度高于设定的温度上限时，通过开窗装置开窗通风，喷淋装置在屋顶上喷淋，达到温室降温的目的，当温室内的温度低于设定的温度下限时，通过关窗来实现保温目的。 湿度的控制同样是通过开关窗和温室内喷淋来实现光照控制是通过遮阳网来实现，当太阳的光照强度高于设定的光照值时，关遮阳网，低于设定的值， 开遮阳网，滴灌控制是当土壤水分传感器的值低于设定的值时，打开滴灌装置进行灌溉。
3.通信模块
通讯模块可将采集到的参量传到上位机，并接收上位机发来的控制信息。实现上位机和单片机之间的通信，便于用户远程管理，单片机将采集的数据和控制装置当前的状态信息通过RS-485送到上位机，实现信息的上传。通讯模块首先需要初始化设置,设置串口的工作方式、波特率、定时器的工作方式, 设置串口中断位和全局中断位。其次设置传输数据的帧格式,向上位机发送的数据有温度、湿度、光照、当前设备的状态等,不同的数据之间需要有区分标志, 在数据区的头部加上联络标志和结束标志；接收到上位机的数据有各种控制信号, 在各个控制信号间有区分标志,同样在数据区的头尾有标志信号,目的是区分是有效数据还是误码。如果是误码, 则不处理,不执行控制处理程序, 直接退出中断；如果是有效数据, 则接收, 并根据控制信号进行操作,向控制部件发送命令,控制开关窗、遮阳网等部件, 达到实时控制的目的。最后在主程序中, 使用顺序方式向微机发送数据; 使用中断方式接受微机发来的数据。
单片机串行通信的工作方式如下: MOV TMOD, #25H；选用定时器T1作为波特率发生器,工作模式 2。 MOV TH1, #0F3H；定时器初植,波特率为 1200B/S。 MOV TL1, #0F3H；8 位重装。
MOV SCON, #50H；串行口工作方式设置为方式 1,REN=1。 MOV PCON, #00H；设置波特率的选择位。 SETB TR1；启动定时器 T1。 SETB ES；串口中断允许 SETB EA；中断允许。
2.4.2 微机软件设计
微机软件设计也由动态显示模块、控制模块、数据库模块、通信模块四个部分组成， 通过动态显示模块可以及时监控各环境因子的变化， 控制模块可对整个系统进行监控 ，如开关窗、喷淋等控制， 数据库模块是为作物生长环境的设定而积累数据， 通信模块是实现上位机和单片机之间的通信， 上位机将控制信号通过RS-485送到单片机 实现信息的下传。
下面给出主程序流程图，如附录所示：
温室大棚种植提高了人们的生活水平并得到了迅速的推广和应用.温室大棚种植的环境 ,如温度、湿度和二氧化碳含量等是对农作物生长影响最大的因素 ,传统的人工检测方式难以实现对农业综合生态信息管理与科学种植的要求 ,国内对温室大棚参数自动监控系统的研究与应用尚在起步阶段 ,而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵 ,很难适合中国农村的实际需求.为此 ,作者研制了一种性价比较高、运行可靠的自动测试系统 ,以适合中国温室大棚种植科学化管理的推广与应用。
2.5 测试系统的组成及原理
本系统采用最简捷的数字采集系统将其动态参数实时地测量并显示 ,设计分为硬件部分和软件部分.硬件方框图如图2.5所示。分为传感器及其整理电路模块、A/D转换模块、单片机模块、按键与显示模块.传感器把被测参数转换为电信号,并经过整理电路调理变为 0～5V的直流电压信号,再经过 A/D转换器转换为数字信号,送入单片机内,经过计算,以分时显示的形式,把 3个被测信号实时地轮流显示出来.软件采用汇编语言的程序模块构成。
图2.5 动态参数测试系统方框图
2.5.1 测试系统的设计
设计的关键是传感器及其整理电路。传感器性能的好坏直接影响到测量精度、测量范围和响应速度。因此，选择合适的传感器直接关系到整个系统的性能.温度传感器选用单片双端集成温度传感器AD590,湿度传感器选用湿敏电容 HS1100, CO2传感器选用固态电化学型 CO2传感器TGS4160 。
（1） 温度测量电路
采用温度传感器 AD590,其测温放大电路设计如2.6示。电路中的 ICL7650S芯片是斩波稳零运算放大器。直流电压 +12V通过电阻 R
1、电位器RP1加到 AD590上 ,AD590的输出电流在 R1 , RP1上产生电压降 ,使放大器 I CL7650S反相输入端的电位随温度而变化 ,在其输出端获得与被测温度成正比的直流电压。电路中的电位器 RP1用于调零, RP3用于调满刻度 ,这样可以极大地改善 AD590非线性引起的误差 , R用于调节放大器 I CL7650S的输入失调 , I CL7650S输出端的 R5 和 C1 构成滤波器用于滤除斩波尖峰干扰。电路的测温范围为 0～100℃,相应输出为 0～5V,呈现线性关系。
图2.6 温度传感器 AD590的检测电路
（2）湿度测量电路
采用的 HS1100湿度传感器是 Sensation公司基于独特工艺设计的电容元件， HS1100湿度传感器的原理是由湿度传感器的干湿介质在外界的相对湿度变化时 ，吸附/脱附空气中的水汽分子 ,使感湿介质的介电常数发生变化,引起湿度传感器的电容值改变.湿度传感器实际上相当于1个可变电容 ,其电容的变化值与空气中 13
的相对湿度成一一对应的正比线性关系 ,相对湿度越大 ,湿度传感器的电容越大;相对湿度越小 ,湿度传感器的电容越小。
将电容的变化量准确地转变为单片机接受的信号 ,常用 2种方法:一是将该湿敏电容置于运放与容阻组成的放大器电路中,所产生的电压信号经直流放大、再经 A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于振荡电路中,将电容值的变化转为与之呈反比的电压频串信号,可直接被计算机所采集。在此采用第 1种测量方法 ,测量电路如图 2.7示。Uf为外加的 10 kHz方波信号。C2 是固定电容 ,为了获得最佳的灵敏度放大系数取其电容值为180 pF,由此将相对湿度的基准点定为 55%,并且与湿度传感器 HS1100的电容 CT构成一开关电容分压放大电路, CT 与 C2 的连接点电压UC为运放的同相输入电压信号, U02为运放输出电压信号,其输入/输出特性:当输入电压UC减小时,输出电压U02增大。当相对湿度减小时, CT 容抗增大,UC增大,而U02减小,反之当湿度增大时,U02增大。
图2.7 湿度/电压转换电路
（3）CO2含量测量电路
采用 TGS4160型 CO2 传感器测量 CO2 ,它是一种电化学型气体的敏感元件 ,当该元件暴露在CO2气体环境中时 ,就会产生电化学反应,通过监测 S( + ) ,S (1,但根据温室大棚 CO2 含量的实际情况 ,在此设定所测量的 CO2 含量在 350～900 mL·L1,输出为 0～3.46 V。运用程序进行数据处理可达到要求的精度。
第3章 温室大棚的数据采集系统
随着我国经济的发展 ,农民增收缓慢的问题逐渐成为阻碍我国经济稳定发展的一大隐患。解决此问题的关键是大力发展农业科技 ,逐步走向农业现代化。温室大棚技术在农业中有着举足轻重的作用 ,是提高农业科技水平的关键。
3.1 系统设计
3.1.1 系统组成
本系统采用的是网络式的数据采集结构。上位机由AT89S51 单片机作为控制器 ,外加 LCD1602 和若干按键构成人机交互界面 ,同时设有报警装置。上位机硬件框图如图3.1所示:上位机主要完成的功能是接收下位机传递的数据并显示温室大棚中的平均温度和平均湿度。用户可以通过按键对进行温度和湿度的设定。同时 ,还具有报警机制 ,当某处的温度和湿度出现异常时进行声光报警并显示异常点。下位机由ATtiny2313和温湿度传感器组成。主要完成的工作是温度信号与湿度信号的采集,同时传输给上位机。ATtiny2313是 AT2MEL 公司发布的AVR 系列中的一款低端产品。该芯片采用的 RISC结构,比相同时钟的51单片机执行速度快约12倍。它有20个引脚,其中有18个是可编程的 I0口,具有丰富的扩展功能,并且内部集成了RC振荡器,无需外部晶振。芯片还具有三个定时器其中一个带有捕获功能,两个外部中断。芯片价格低廉也是其优点之一。上位机与下位机通信采用的 RS485总线形式,这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信,它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。
图3.1 上位机硬件框图
3.1.2 系统工作原理
数据采集系统的下位机采集现场温度和湿度 ,经过数字滤波处理后存储在控制器中 ,当上位机查询下位机时 ,下位机通过RS485 总线将温度值和湿度值传输至上位机。上位机每隔 10 分钟查询一次所有的下位机 ,将采集到的数据经行处理 ,排除干扰值 ,确定当前的温室大棚的温度和湿度 ,同时将其显示在 LCD 屏上。上位机根据当前温室大棚的温度和湿度 ,判断是否需要操作相应的执行机构。上位机除了正常的数据收集和显示作用外 ,还可以通过按键进行温湿度的设定 ,查询每个下位机的具体值。同时还具有报警功能 ,当系统检测到温湿度异常时能经行声光报警。
3.2 系统软件设计
3.2.1 上位机软件设计
上位机软件主要有键盘模块 ,显示模块 ,控制决策模块 ,通讯模块 ,和报警模块。键盘模块功能包括参数和功能设置,下位机查询。显示模块是用于同时显示测得的温度值和湿度值。控制决策模块根据下位机传输的数据判断当前是否需要调温或调湿。通讯模块功能是与下位机经行数据的传输。报警模块是指温度或湿度出现异常时,发出警报。
3.2.2 下位机软件设计
下位机软件主要有采集模块 ,通讯模块和控制模块。采集模块主要完成温度 19
采集和湿度采集。通讯模块主要完成向上位机传输数据的工作。控制模块功能是控制调温装置和调湿装置。
3.3 误差分析
系统误差来源有两个 ,一个是系统硬件 ,另一个是系统软件。硬件带来的误差包括传感器选型,采样电路器件选型和电路设计等方面。软件误差主要是指异常数据的干扰和数值处理的精度。
减小误差的方法有以下几种: （1）选择高精度的传感器。 （2）设计抗干扰性强的电路。 （3）选择支持浮点运算的控制器。 （4）对数据进行数字滤波 ,排除干扰。 （5）数值处理利用定点算法。
本系统在选择合适的器件和合理的电路同时 ,在软件上也采用了数字滤波和定点算法 ,减小了系统误差。
3.4 可靠性设计
用于工业控制场合的系统对可靠性有较高的要求, 只有具有较高可靠性的系统才具有实用价值。系统的可靠性包括软件的可靠性和硬件的可靠性。
3.4.1 硬件可靠性设计
单片机硬件系统的抗干扰能力与元器件质量、装配质量等因素都有关系, 但其中起决定作用的是设计过程, 因此在设计中我们采取了以下抗干扰措施: (1) 采用光电隔离；(2)采用过压保护电路；(3)采用抗干扰稳压电源；(4)采用良好的接地系统。
3.4.2 软件可靠性设计
软件部分可靠性主要通过抗干扰设计实现, 其中本系统中的抗干扰设计主要包括以下部分: (1) 采用数字滤波方法来抑制输入通道的干扰；(2)对数字输出信号处理；(3) 对部分关键控制设备的运行状态进行监测；(4) 采用指令冗余、软件陷阱、“ 看门狗” 等方法避免程序混乱。
第4章 温室大棚的GPRS监控系统
GRPS的温室自动控制系统,是基于目前我国温室大棚生产的特点,既能满足个体农民生产的需要,又便于企业规模的生产的需要。该系统不但能完成对温室大棚参数实时高精度测量,而且能实现棚内温湿度调节、灌溉等的智能控制及报警提示,而且也能自动实现保湿、通风和光照调节。并可联网实时显示及语音播报,进行温度报警。报警通过GPRS网络以短信的方式发送到管理员的手机上,以便及时处理。
4.1 系统结构
系统主要由两部分组成:下位机系统和上位机系统。下位机系统以AVR单片机ATmega16为核心,采用数字温湿度传感器SHT15测量温室温度和湿度。ATmega16接受多路传感器模块信息并进行处理、判断,控制LCD液晶模块FYD12864-0402B实时显示现场的环境参数；然后控制温度、湿度、光照控制器调节温室环境参数,最后通过GPRS网络传输到监控中心；监控中心为通过串口与GPRS模块连接的计算机,完成各种信息的存储、统计和控制命令发送功能。如系统出现异常,则通过控制GPRS模块将异常信号发送到管理员的手机上。本设计采用Sony／Ericon公司工业GPRS模块GR64。该模块接收ATmega16指令信息, 将信息传输到上位机。上位机系统是以X86计算机为核心的C/ S 模型的网络,可以实现对数据的复杂处理和保存。数据存储是以数据库的方式存储的,以SQL Server 2005为数据库管理系统[3,4]。数据库数据访问采用ODBC方式,用SQL 语句进行数据库的操作。保存在数据库中的数据,可以通过表格控件显示其数据,也可以通过图形控件画出用户所需的各种曲线。用户还可以根据需要打印数据表格和图形。系统结构如图4.1所示。
图4.1 系统结构图
4.2 硬件电路设计
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4.2.1 信号检测
温室大棚各点的温度、湿度及光照等与位置的不同而分布不均匀,各点差异较大,为提高测量精度, 对于室内不同位置,采用多点检测和循环检测的方式。
4.2.2 空气温湿度的检测
湿湿度的检测即温室内的空气温度和湿度,采用数字温度传感器 SHT15,该传感器是瑞士 Sensirion 推出的 SHTxx系列数字温湿度传感器,基于领先世界的CMOSens®数字传感技术,具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。全量程标定,两线数字接口,可与单片机直接相连,大大缩短研发时间、简化外围电路并降低费用。此外,体积微小、响应迅速、低能耗、可浸没、抗干扰能力强、温湿一体,兼有露点测量,性价比高,使该产品能够适于多种场合的应用。
4.2.3 温室参数的 LCD显示
LCD 模块选用带中文字库的FYD12864-0402B ,它是可以显示8 ×4 行16×16汉字的带背光的液晶模块。可以很方便地从LCD 直观地读出温度数据。
4.2.4 GPRS通信模块
GPRS 通用分组无线业务( general packet radio service)作为第二代移动通信技术( GSM)向第三代移动通信(3G)的过渡技术,采用先进的无线分组技术,将移动通信与INTERNET紧密结合GPRS数据终端支持TCP /IP、PPP协议和透明数据传输,每个用户可占用多个信道,同一信道又可以为多个用户共享。GPRS无线网的优势在于能提高资源利用率,在通信过程中不需要建立保持电路,符合数据通信突发性的特点,它组网迅速灵活、成本低、覆盖范围广、实时在线、按数据流量计费、登录网络快捷等。由于GPRS的这些特点,使它适合多点分散的远程数据传输。本系统选用GPRS通信取代GSM短消息的原因,是因为该设计对系统实时性要求较高,GPRS具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点,所以无论从性能或是经济角度, GPRS 较GSM 短信都有很大优势。设计中采用GPRS模块GR64, GR64是Sony/Ericon公司最新推出的一款内嵌TCP/IP协议栈的GSM/GPRS模块,可向下兼容GR4,基于EGSM 900/GSM 1800 网络,串行接口符合V24 协议,支持语音、数据、传真和短信息功能。本文采用其串行接口,SIM卡接口和电源接口。通过连接开通GPRS 功能的SIM卡系统就能够通过GPRS 网络 22
连接到Internet上。在本系统中 ,它带有GSM /GPRS全套语音和数据功能,具有M2M通信解决方案的全部核心功能。GR64内嵌TCP/IP协议栈,通过其异步串行通信接口UART1,使用相应AT指令进行开发,可方便地实现GPRS通信。
4.2.5 系统控制器
该设计AVR单片机ATmega16作为主控器。该系统由单片机对温度湿度等参数进行巡回测量,并对测量的结果进行优化补偿,并进行调控。当启动温湿度转换后, SHT15 开始转换。转换结束后的数据值暂存在AVR单片机ATmega16的寄存器中,最后通过GPRS网络发送到监控中心。通过AVR单片机ATmega16控制SHT15 每3 s启动一次转换。此外,主控制器同时完成系统参数测量,数据存储, LCD显示以及与上位机通信等功能。主控器控制功能主要包括调湿、调温、调节光照、自动灌溉等控制。调湿调温通过AVR单片机ATmega16控制加热炉和风机完成升温,室内降温主要通过水帘、风机完成。土壤调湿主要通过浇水来实现,由自动喷头来完成。室外保温通风调光主要采用自动顶棚（带遮光布）、自动侧窗完成。当超过报警限时,通过语音芯片和发光二极管进行声光报警。GPRS通信通过ATmega16向GPRS模块发送AT指令实现。
4.3 软件系统设计
系统软件采用C51语言设计。该语言库函数丰富、运算速度快、占用资源少、可靠性高。在设计中采用模块化方式,主要由主程序,温度、湿度、光照、土壤湿度等参数采集子程序, 外围设备控制子程序, GPRS模块控制子程序等模块组成。 软件系统主要包括两部分,一部分是单片机软件,一部分是控制中心计算机软件。
4.3.1 单片机部分软件
主要完成的功能是: 接收温度、湿度数据采集信息,与设定值进行比较, 如果超出设定范围向GPRS模块发送告警信息,通过GPRS网络向监控中心和管理者告警。接收手机模块中的控制信息控制温湿度等控制器,如果在预定的时间内接受不到控制信息, 则对于大棚参数数据按照默认参数自动调节。AVR单片机与GPRS模块的通信其实就是单片机通过AT 指令控制GPRS模块,通过向GPRS手机模块写入不同的AT 指令能完成多种功能,如网络登陆、发送GPRS消息、读取GPRS消息等。
4.3.2 计算机部分软件
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主要完成对温室大棚的控制以及信息管理,通过串口与工业GPRS模块连接, 读取模块中接收到的信息流,进行相关处理,或者完成控制信息的发送。同样是通过AT 指令完成,也就是通过串口向GPRS模块发送AT 指令。
4.3.3 常用的GPRS AT指令以及设置
通过PC 的超级终端使用AT 命令对GPRS 模块进行控制,从而实现SOCKET 通信。
(1)建立一个TCP通信: AT*E2IPO=X,“XXX.XXX.XXX.XXX”,PORT 建立SOCKET 连接,XXX.XXX.XXX.XXX为监控中心计算机端IP 地址,PORT 为端口号。
(2)接收数据: AT*E2IPACT=XX=1时为接收数据共享是在局域网中共享的,通过Windows 套接字实现的。用户目前可以使用两种套接字,它们是数据报套接字( datagram socket s) 和流式套接字( stream socket s)。数据报套接字使用用户数据报协议(UDP) ,流式套接字使用传输控制协议( TCP)。由于温度数据的共享是随机访问的,不需要一直访问数据,所以本文使用UDP方式。UDP典型的通信过程为：在服务器端一直采集串口的数据,默认情况下每5分钟存入一次数据库中,可以随时读取当前的温度值和画出温度曲线。在客户端也可以随时请求服务器端的数据,以达到温度数据的共享。
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第5章 温室大棚监测控制系统
近年来，我国的设施农业得到了较大的发展，温室大棚作为新的农作物种植技术，已突破了传统农作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。而温室大棚的检测控制系统是实现其生产自动化、高效化的最关键、最为重要的环节。
目前我国的温室大棚 ，多依靠人工经验进行管理，或以单片机控制的单参数单回路的较多，自动化程度不高，效率低下，就农作物的生长环境而言，温度、湿度、光照、二氧化碳是其最基本的要素，作为检测控制系统必须能够实现对以上要素的数据采集与分析处理，并进行相应的控制，以使温室大棚为农作物的生长提供一个良好的环境。
5.1 系统的总体结构和特点
5.1.1 系统的总体结构
温室大棚检测控制系统为满足室内环境检测的实时性要求，应采用多级子系统分布式结构。该系统总体结构包括传感器子系统、数据采集子系统、信息处理子系统和伺服子系统4部分。
1.传感器子系统
传感器子系统是检测控制系统的主要信息来源，它关系到整个系统检测，分析加工和控制的可靠性与准确性。传感器主要包括检测温室大棚内部温度的温度传感器、检测室内空气及土壤水分的湿度传感器、检测室内光照度的光照传感器、检测二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器。由于温室大棚一般构造面积较大，传感器属定点使用的一次性仪表，故各类传感器的使用数量较多。
2.数据采集子系统
数据采集子系统主要完成对传感器子系统传送来的信号进行A/D转换和采样。在检测控制系统中，为满足实时性要求，一般应选用速度较高，多种采样触发方式，多路采样保持的多通道数据采集卡。为了减轻后级处理工作量，数据采集子系统对采得的原始数据应进行一定程度的预处理。
3.信息处理子系统
信息处理子系统是整个系统的核心部分，包括环境参数预设置、信号处理和控制3个部分。环境参数预设置一方面可将某一时间范围内，农作物正常生长对温 25
度、湿度、光照和二氧化碳浓度的要求进行设置。另一方面可将作物不同生长期对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度要求进行设置，进而对其进行数据拟合，以确定其在整个生长过程中对上述因素的要求。信号处理实现测量数据与本阶段环境参数值进行比较分析，为控制提供决策依据，控制部分则由此发出各种相应的控制信号。
4.伺服子系统
该子系统包括温度调节机构，通过对降温设备（如湿帘风机）、加热设备（如热风机）的工作方式及时间的控制以实现对温度的调节功能。湿度调节机构，通过对温室天窗、侧窗启闭部件以及喷雾器的控制以完成对湿度的调节。照明机构，通过对照明灯的开或关，以实现对温室内光照度的调节。二氧化碳施放机构完成对温室内二氧化碳施放。
5.2 主要特点
5.2.1 信号检测的多元化
本特点指检测信号有温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等多种不同类型的信号，并且同一种类型的信号又有若干多个检测点。
5.2.2 信号检测的连续化
系统对温室内多种环境参数信息的检测是一个动态的连续过程。由于外界气候环境的变化具有很大的随机性，要实时保持温室内环境的相对稳定，必须对其进行连续监测。
5.2.3数据采集与处理的实时化
为了保证实时地检测温室内环境的变化，数据采集与处理要满足一定的时间限制，以便能实时做出评价，采取相应的控制措施，抵御自然灾害的袭击，预防意外事故发生。
5.2.4系统功能的易扩充性
系统设计采用面向对象机制和模块化结构设计，在不需改动系统结构的情况下，容易增加新的模块，使系统的功能扩充容易、方便。
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5.3硬件结构
该系统的硬件结构如图5.1所示，它由3部分组成：（1）信号转换部分。其功能为通过传感器拾取温室大棚内的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度信号，以满足数据采集卡对信号的要求；(2)信号采集分析处理和控制部分。其功能为实现数据采集,对采集数据进行分析加工处理，输出相应的控制信号；(3)伺服机构部分。其功能是执行相应的控制命令。
图5.1 系统硬件结构
5.4系统软件设计
5.4.1控制系统软件结构
整个系统的结构如图5.2所示。从图中可以看出，整个系统软件由3大部分组成：1数据采集软件，包括系统的初始化、数据采集卡的初始化、数据采集和数据传输；2信号处理和控制软件。包括信号比较分析、决策控制信息的传输。数据 27
采集和数据处理两部分是互相联系的，它们之间用数据缓冲区作为联系的纽带；3伺服软件。包括温度调节、湿度调节、光照调节和二氧化碳施放程序。
图5.2 系统软件结构
5.4.2软件的实现
就一般的数据采集卡，一方面随卡提供的说明书包括了有关该卡的地址及功能说明，编程及硬件说明，并提供了相应的高级语言（常见的有BASIC、C语言）操作例程。另一方面随卡还提供了一个高级语言库的原码程序。这样整个系统软件的实现完全可以使用相应的高级程序设计语言通过调用原码库来完成，可以方便、灵活地设计出用户界面良好、质量优良的系统软件。
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第6章 总结
整个设计报告共分为6章，其中第1章主要讲述了温室大棚的一般概况及工作原理；第2章讲述了温室大棚自动控制的工作原理和硬软件组成，讲述了温室，第3章主要讲述了温室大棚的数据采集系统，4--5章主要讲述了GPRS监测系统、监测控制系统及各自的工作原理。第6章为总结，这些数据都是真实可靠的。
温室大棚自动控制系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段发展起来的。温室控制主要是根据外界环境的温度、湿度、CO2，含量、光照以及风速、风向、雨量等气候因素，来控制温室内的温度、湿度、通风、光照，创造出适合作物生长的最佳环境，同时还需对影响作物生长的各种营养元素进行动态的配方管理。在这种控制中，温度、湿度、C02含量、光照等被控量之间存在着强烈的相互关系，某个被控量的改变，会影响到其他被控量的变化。所以对这些参数的控制是至关重要的。
本设计为一闭环控制系统，由89C51单片机，A/D转换电路，温度检测电路，湿度检测电路、控制系统组成。温度检测电路将检测到的温度转换成电压，该模拟电压经ADC0809转换后，进入89C51单片机，单片机通过比较输入温度与设定温度来控制风扇或电炉驱动电路，当棚内温度在设定范围内时，单片机不对风扇或电炉发出动作。实现了对大棚里植物生长温度及土壤和空气湿度的检测，监控，并能对超过正常温度、湿度范围的状况进行实时处理，使大棚环境得到了良好的控制。总结了温室环境控制系统的发展趋势，分析了现有温室环境控制系统存在的不足。温室环境控制的目的是把各被控变量(温室环境因子)，如光照、温度、湿度、CO2浓度等，维持在作物生长发育要求的范围内，所以本论文还分析了各环境因子对作物生长发育的影响以及各环境因子之间的相互耦合关系。该设计还具有对温度的实时显示功能，对棚内环境温度的预设功能。
温室大棚自动控制系统是配备有温室环境控制系统的资源集约型高效农业生产方式，它在调控温室内小气候环境以适应作物生长发育要求的同时，不仅实现了作物的反季节生产，还提高了作物的质量以及作物生产的效率。近年来随着传感器技术、计算机技术、网络技术、智能控制技术以及生物技术等高新技术和手段的飞速发展，带来了温室环境控制方面的一场革命。温室环境控制系统正在不断吸收相关领域新的理论和方法，结合温室作物种植的特点，不断创新，逐步完 善。
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参 考 文 献
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附录 主程序流程图
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