溫室大棚控制系統(tǒng)-設(shè)計(jì)報(bào)告詳解

1、哈爾濱師范大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)感知綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：溫室大棚控制系統(tǒng) 年 級(jí)： 2013級(jí) 專 業(yè)： 物聯(lián)網(wǎng)工程姓 名： 高英亮 袁昊慈 指導(dǎo)教師：李世明 杜軍溫室大棚控制系統(tǒng)高英亮、袁昊慈摘要 中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制。利用物聯(lián)網(wǎng)的傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)采集溫室環(huán)境的空氣溫濕度、土壤水分和光照度等因素，單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理做出合理的控制決策，控制執(zhí)行器進(jìn)行自動(dòng)噴灌，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，按需、按期和按量噴灌

2、。系統(tǒng)主要由溫室環(huán)境信息采集模塊、單片機(jī)模塊和控制模塊組成，采集模塊包括光照度傳感器和空氣溫濕度傳感器。該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)和單片機(jī)相結(jié)合，由上位機(jī)和下位機(jī)( 都用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)) 構(gòu)成，采用接口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)溫室大棚自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能、節(jié)水、省力，具有很好的實(shí)用性和推廣性。 1 引 言 中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)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(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與

3、生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境測(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。大棚內(nèi)的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長(zhǎng)。國外的溫室設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對(duì)大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于測(cè)控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但

4、大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施與相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜、水果生長(zhǎng)的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)、高效益的重要環(huán)節(jié)。目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對(duì)其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)大棚的自動(dòng)化程度要求也越來越高。由于單片機(jī)及各種電子器件性價(jià)比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋?2 溫室自動(dòng)噴灌系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由溫室大棚環(huán)境信息采集模塊、單片機(jī)AT89c52模塊和控制模塊組成。采集

5、模塊包括光照度傳感器2Du6硅光電池、土壤水分傳感器TDR一3和空氣溫濕度傳感器LTM一8901。光照度傳感器采用硅光電池2Du6作為光電傳感器器件，土壤水分傳感器采用錦州陽光科技發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的TDR一3。這兩類傳感器輸出都是模擬量，所以需要經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路及AD轉(zhuǎn)換等預(yù)處理后傳輸給單片機(jī)。溫室環(huán)境空氣溫度與濕度的采集采用溫濕度一體數(shù)字式傳感器SHT71，直接輸出數(shù)字量給單片機(jī)。控制模塊主要由光電耦合器、繼電器和執(zhí)行器組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 自動(dòng)噴灌系統(tǒng)整體構(gòu)架框圖 3 信號(hào)采集系統(tǒng)3.1 光照采集模塊在溫室環(huán)境中，光照度是植物健康生長(zhǎng)的重要能源因素，直接影響植物的生長(zhǎng)、發(fā)育過程

6、、產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)。另外，光照度也影響地表與大氣的物質(zhì)與能量交換，即與土壤水分含量有著密切關(guān)系，在節(jié)水灌溉中是一個(gè)重要的數(shù)據(jù)信息。所以，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中光照度的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)工作越來越得到重視。系統(tǒng)采用硅光電池2Du6作為光電傳感器件，將該器件的短路電流信號(hào)對(duì)此進(jìn)行放大到05V，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送給單片機(jī)AT89C52。由于硅光電池的短路特性隨光照強(qiáng)度是線性變化的，光電池在不同照度下的內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。AD轉(zhuǎn)換器只能夠接受電壓信號(hào)，因此在硅光電池2Du6和單片機(jī)AT89c52之間需要一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路。這個(gè)電流轉(zhuǎn)換電壓模塊使用的是放大器0P777。3.2 溫濕度

7、采集模塊溫室內(nèi)空氣溫濕度的檢測(cè)僅僅靠單點(diǎn)測(cè)量是不能準(zhǔn)確代表整個(gè)溫室環(huán)境的狀況的，尤其是對(duì)于大面積的溫室大棚而言，單點(diǎn)檢測(cè)對(duì)節(jié)水灌溉控制的精確度和節(jié)水效果有很大的影響。針對(duì)這個(gè)問題，本系統(tǒng)選用了數(shù)字式輸出和多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)的易擴(kuò)展式傳感器LTM一89。該傳感器和單片機(jī)的接口有兩種方式：一是單線接口方式；二是雙線接口方式。當(dāng)在小面積溫室環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸距離比較短時(shí)，采用單線接口方式；當(dāng)溫室面積比較大、檢測(cè)點(diǎn)比較多及傳輸距離比較長(zhǎng)的時(shí)候，采用雙線接口方式。4 控制系統(tǒng) 傳感器采集到溫室環(huán)境中土壤濕度、光照度以及空氣溫濕度各參數(shù)值，經(jīng)過單片機(jī)處理分析后，給出最優(yōu)化噴灌策略，發(fā)出控制信號(hào)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，進(jìn)而

8、實(shí)現(xiàn)按時(shí)、按需和按量的節(jié)水自動(dòng)噴灌。本系統(tǒng)選用TLP5214光電耦合器驅(qū)動(dòng)繼電器輸出，其目的是為了在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備時(shí)提高控制接口的抗干擾能力。圖6為該接口的電路原理圖。在系統(tǒng)初始化時(shí)，將AT89C52的I0口輸出電平置成高電平，光耦TLP5214不導(dǎo)通，防止在AT89c52復(fù)位、上電時(shí)繼電器出現(xiàn)誤動(dòng)作。圖2 控制系統(tǒng)接口電路圖5 界面設(shè)計(jì) 通過C程序編寫窗口并將串口傳輸過來的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在C編寫的窗口上的，不過能力有限所以增添了手動(dòng)輸入彌補(bǔ)，并可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行判定，以實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)窗狀態(tài)的改變。首先用visual studio 2013建立窗口界面編輯環(huán)境。通過工具箱向窗口上拖拽

9、需要的控件完成窗口的大致規(guī)劃，然后將label和button控件的名稱修改成對(duì)應(yīng)的變量的名稱和選項(xiàng)名稱。 5.1 主界面textBox程序private void TMP_label_KeyPress(object sender, KeyPressEventArgs e) if (!Char.IsNumber(e.KeyChar) & e.KeyChar != (char)8)/判定是否是數(shù)字與是否為刪除鍵（ASCII碼值中刪除鍵對(duì)應(yīng)數(shù)字8） e.Handled = true; /當(dāng)if判定為true時(shí)，e.Handled也為true所以不會(huì)對(duì)文本框進(jìn)行賦值 圖3 Form1主界面5.2 選擇

10、界面label控件程序public partial class Form2 : Form public Form2() InitializeComponent(); private string string1; public string String1 set string1 = value; public void SetValue() this.label1.Text = string1; /主窗口和選擇界面通過InitializeComponent()函數(shù)連接，然后在選擇界面窗口中定義一個(gè)public string String1然后運(yùn)行程序時(shí)，主界面會(huì)對(duì)String1進(jìn)行賦值，然后

11、選擇界面窗口可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)用,用其對(duì)label進(jìn)行賦值。 6 軟件設(shè)計(jì)6.1設(shè)計(jì)原理(1)明確任務(wù)，弄清軟件所承擔(dān)的任務(wù)細(xì)節(jié)。(2)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理的軟件結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)出一個(gè)性能優(yōu)良的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。(3)模塊化程序設(shè)計(jì)，是單片機(jī)應(yīng)用中最常用的程序設(shè)計(jì)技術(shù)。將一個(gè)完整的程序分解成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的較小的程序模塊，對(duì)各個(gè)程序模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編制和調(diào)試，最后將各個(gè)調(diào)試好的程序模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)。(4)編寫程序。根據(jù)系統(tǒng)功能和操作過程，列出程序的功能流程圖。在完成流程圖的設(shè)計(jì)之后，便可編寫程序了。6.2 溫度傳輸軟件此模塊的軟件設(shè)計(jì)主要是要確保接收到正確的溫度數(shù)據(jù)，所以在程序中要加一些數(shù)據(jù)頭進(jìn)

12、行校驗(yàn)。1）發(fā)送溫度程序：while(1)/溫度轉(zhuǎn)換，獲得溫度SBUF=0xaa;/為了防止無線接收模塊受到干擾,數(shù)據(jù)不對(duì)while(!TI); /所以加上兩個(gè)數(shù)據(jù)頭,只有在正確接收TI=0; 到它倆后，才開始接收我們需要的數(shù)據(jù)SBUF=0x55;while(!TI);TI=0;SBUF=table3a;/將測(cè)得的溫度值的各位及小數(shù)點(diǎn)逐位的發(fā)送出去while(!TI); /百位TI=0;/依次發(fā)送其他各位2） 接收溫度程序voidreceive()while(!RI);RI=0;i=SBUF;if(i=0xaa)/判斷是否接收到0xaa,接收到的話再執(zhí)行下去while(!RI);RI=0;i=

13、SBUF;if(i=0x55)/再繼續(xù)判斷是否接收到0x55,接收到的話就可以繼續(xù)接收正write_com(0x80); 確的數(shù)據(jù) while(!RI);RI=0;a=SBUF;/接收百位write_data(a);/液晶顯示百位SBUF=a;/再把百位發(fā)送給電腦while(!TI);TI=0;delay(100);/延時(shí)/個(gè)位、十位小數(shù)點(diǎn)依次發(fā)送 6.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用的方法，利用TComm控件實(shí)現(xiàn)串口通信。TComm控件可以實(shí)現(xiàn)DTR/DSR、RTS/CTS硬件流控制,是比較完善的串口控件。TComm控件的串口通信參數(shù)設(shè)置與MSComm類似默認(rèn)情況下。TComm控件接收和發(fā)送數(shù)據(jù)

14、支持字符串和字節(jié)兩種傳輸模式。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)前需要初始化串口，用SetPortOpen()方法打開串口,退出程序時(shí)用CloseComm()方法關(guān)閉串口。/打開串口、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的語句Comm1-PortOpen=true;/打開串口mReceive-Text=Comm1-Input；/接收數(shù)據(jù)mTransmit-Text=Comm1-Output；/發(fā)送數(shù)據(jù)/接收下位機(jī)溫度及將獲得的數(shù)據(jù)繪制成曲線的程序C+Builder提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化控件TChart，非常便于數(shù)據(jù)的圖形化顯示。通過設(shè)置組件屬性，可以生成點(diǎn)圖、線圖、餅圖、柱狀圖、區(qū)域圖，能夠顯示一維序列或二維序列，可以自由設(shè)定刻

15、度線和坐標(biāo)。給序列添加一個(gè)數(shù)據(jù)只需調(diào)用AddX、AddY、AddXY方法，非常方便。因?yàn)樾枰玫綔囟鹊膶?shí)時(shí)曲線圖，所以在定時(shí)器timer的OnTimer事件中編寫程序，關(guān)鍵的語句如下：if(Comm1-PortOpen)/判斷串口是否打開mReceive-Text=Comm1-Input/把接收到的溫度放到一個(gè)memo里Buf=Trim(Comm1-Input);/刪除string首部和尾部空格的字符串ReceiveStr=ReceiveStr+Buf; doDot=ReceiveStr.Pos();if(Dot=0)break;ReceiveDatai=StrToFloat(ReceiveS

16、tr.SubString(1,Dot-1);/數(shù)據(jù)放進(jìn)數(shù)組ReceiveStr=ReceiveStr.Delete(1,Dot);/留下未處理的數(shù)據(jù)Chart1-Series0-AddXY(i,ReceiveDatai,i,clRed);/把接收到的溫度繪成曲線i=i+1;/接收下一個(gè)數(shù)據(jù)While (1);/直到找不到空格ReceiveStr=;/存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間關(guān)鍵的語句如下：FILE*fp;fp=fopen(.data.txt,a);/把數(shù)據(jù)存放到data.txt的文件里fprintf(fp,%s%sn,mReceive-Text,TimeToStr(Time();fclos

17、e(fp); 7 總 結(jié)溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)是近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù)，它是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)自控技術(shù)、智能傳感技術(shù)等高科技手段發(fā)展起來的，因此我們組選擇了以溫室大棚控制系統(tǒng)作為課題進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)通過采用溫濕度傳感器、光照傳感器，對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，將采集的信息傳輸給單片機(jī)單片機(jī)通過比較輸入溫度與設(shè)定溫度來控制通風(fēng)或澆水。溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)是配備有溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的資源集約型高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，它在調(diào)控溫室內(nèi)小氣候環(huán)境以適應(yīng)作物生長(zhǎng)發(fā)育要求的同時(shí)，不僅實(shí)現(xiàn)了作物的反季節(jié)生產(chǎn)，還提高了作物的質(zhì)量以及作物生產(chǎn)的效率。近年

18、來隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)以及生物技術(shù)等高新技術(shù)和手段的飛速發(fā)展，帶來了溫室環(huán)境控制方面的一場(chǎng)革命。溫室環(huán)境控制系統(tǒng)正在不斷吸收相關(guān)領(lǐng)域新的理論和方法，結(jié)合溫室作物種植的特點(diǎn)，不斷創(chuàng)新，逐步完善。由于課程設(shè)計(jì)的需求，我們查閱大量資料，并在同學(xué)的幫助下學(xué)習(xí)了visual studio 2013軟件的使用，并且學(xué)習(xí)了用C#制作界面，更深入的熟悉了多種傳感器的功能，但是串口傳輸?shù)膯栴}始終沒有解決，我們還需學(xué)習(xí)更多更深入的知識(shí)。參考文獻(xiàn)1李全利、遲榮強(qiáng)編著。單片機(jī)原理及接口技術(shù)M。北京：高等教育出版社，20042劉守義編著。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)M。 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20023陳杰、黃鴻編。傳