太陽能溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)方案設(shè)計

1、太陽能溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)方案設(shè)計為適應(yīng)市場的需求，目前溫室大棚在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用，其中以美國、日本、荷蘭等國家發(fā)展最為迅速，基本實現(xiàn)了環(huán)境智能監(jiān)控和遠程監(jiān)測。而在國內(nèi)，大部分溫室大棚未采用智能控制技術(shù)，且存在環(huán)境控制能力低、自動化程度落后、價格昂貴等缺點，這在很大程度上降低了溫室農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，因此，廣泛實現(xiàn)溫室的智能監(jiān)控很有必要。此外，維持溫室大棚的正常運行需要提供充足的電能，而一般大型的溫室大棚位于離居民生活區(qū)較遠的空曠地區(qū)，對電能的利用并非很方便，但是太陽能資源豐富，因此如何實現(xiàn)對太陽能的利用成為一個值得思考與解決的問題。    1 設(shè)計思想&

2、#160;   要實現(xiàn)對太陽能的利用，可以借助于太陽能電池實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，近年來太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率與使用壽命都有了很大的提高，目前單晶硅的轉(zhuǎn)換效率可達30左右。因此利用太陽能光伏系統(tǒng)為溫室大棚供電成為了可能，為提高太陽能利用率，可采用MPPT和光伏系統(tǒng)自跟蹤技術(shù)。影響農(nóng)作物的生長因子主要有：溫度、濕度、CO2濃度以及光照。實現(xiàn)對各生長因子的智能控制，能很大程度地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。    基于太陽能供電的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。太陽能溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)框圖2 模塊化設(shè)計    21 太陽能供電模塊

3、    該模塊主要包含MPPT的實現(xiàn)、蓄電池充放電監(jiān)控、自跟蹤系統(tǒng)以及電壓轉(zhuǎn)換4個部分。MPPT的實現(xiàn)和自跟蹤系統(tǒng)均是為了實現(xiàn)太陽能更高效率的利用，蓄電池充放電監(jiān)控則是對蓄電池、太陽能光伏組件陣列以及負載的保護，電壓轉(zhuǎn)換使得該系統(tǒng)可為各種交流和直流負載供電。太陽能供電模塊框圖如圖2所示。211 MPPT的實現(xiàn)  MPPT即最大功率點跟蹤，是指控制器能夠?qū)崟r偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值，使太陽能電池板以最高的效率對蓄電池充電。MPPT控制的原理實質(zhì)上是一個自動動態(tài)尋優(yōu)的過程，通過功率的比較來改變占空比和脈寬調(diào)制信號，進而改變太陽能電池板的工

4、作負載，改變輸出功率點的位置，以達到最優(yōu)。實現(xiàn)MPPT通常需要斬波器來完成DCDC轉(zhuǎn)換，斬波電路分為BUCK電路和BOOST電路。本文中利用BUCK變換器來實現(xiàn)MPPT，通過調(diào)節(jié)BUCK變換器的PWM占空比輸出，使負載等效阻抗跟隨太陽能光伏組件陣列的輸出阻抗，從而使光伏陣列在任何條件下均可獲得最大功率輸出。BUCK電路實際上是一種電流提升電路，主要用于驅(qū)動電流接收型負載，直流變換通過電感完成，其電路圖如圖3所示。故通過調(diào)節(jié)占空比即可調(diào)整輸出負載，從而可使太陽能光伏組件陣列工作在最大功率點。占空比的調(diào)節(jié)是通過控制Q基極電壓來實現(xiàn)，可借助于單片機編程加以控制。   

5、212 蓄電池充放電監(jiān)控電路    蓄電池充放電監(jiān)控電路是為了防止蓄電池組過充、過放等現(xiàn)象，蓄電池組在整個系統(tǒng)中起到儲存與提供能量的作用，在硬件上可借助于單片機來實現(xiàn)，其軟件程序流程圖如圖4所示。213 自跟蹤系統(tǒng)    為了實現(xiàn)對太陽能更大限度的利用，要保證太陽光每時每刻都垂直照射在太陽能電池板上，即太陽能電池板必須跟隨這太陽的運動而運動。目前常用的自跟蹤方法有勻速控制方法、光強控制方法、時空控制方法。為了方便實現(xiàn)并達到較好的跟蹤效果，可以將勻速控制法與光強控制法相結(jié)合。并通過對實際光強與設(shè)定值的比較，分別采取緊跟蹤、疏跟蹤以及不跟

6、蹤的措施。在硬件上可以通過單片機、太陽光跟蹤傳感器、光強測定器等實現(xiàn)。    214 太陽能應(yīng)用于溫室的前景    目前使用太陽能光伏陣列進行供電需要占用一定的土地資源來安放太陽能電池板，然而現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出了半透明太陽能組件，此外透明太陽能電池組件也在進一步研究中，這使得將太陽能電池安裝在溫室頂部成為了可能。而且太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在不斷提升，因此太陽能光伏系統(tǒng)的廣泛使用將成為必然趨勢。    22 智能監(jiān)控模塊    智能監(jiān)控模塊的主要部分為傳感器模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、微處理

7、器以及各因子的控制設(shè)備。    221 傳感器的選取    測溫設(shè)備選擇SLST系列數(shù)字傳感器，它是采用美國Dallas半導(dǎo)體公司的DS18B20數(shù)字化溫度傳感器，為不銹鋼外殼封裝，防水防潮，且具有高靈敏度和極小溫度延遲，現(xiàn)場溫度以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。其測溫范圍為-55+125，溫度準(zhǔn)確度為±05，可直接將溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號供單片機處理。溫室內(nèi)濕度的測量采用JCJ100MH濕度變送器，其采用高精度濕敏電容進行測量，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高和使用壽命長等特點。其工作環(huán)境為-408

8、0，輸出電壓范圍為05 V，濕度測量范圍為0100，均滿足溫室測量的需求。土壤濕度的測量采用高精度土壤水分傳感器，它采用世界先進技術(shù)的土壤濕度傳感器，精密、可靠、耐用，可直接連接至數(shù)據(jù)采集器，可長期埋設(shè)在地下任意深度，連續(xù)測量，其測量范圍為0100，工作電壓為715 V，輸出011 V的電壓信號，可經(jīng)適當(dāng)放大后供AD轉(zhuǎn)換。光照度的測定可以采用KITOZER系統(tǒng)光照度變送器。該種變送器以對弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器為傳感器，具有測量范圍寬、線性度好、防水性能好、傳輸距離遠等特點，其工作電壓為1230 V，測量范圍為0200 000 LUX，支持二線制420 mA電流輸出、三線制05 V電

9、壓輸出、液晶顯示輸出以及RS 232，RS 485網(wǎng)絡(luò)輸出，適合在溫室大棚環(huán)境下使用。CO2濃度的測定可采用FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，它是一種固態(tài)電化學(xué)型CO2傳感器，具有體積小，壽命長，選擇性和穩(wěn)定性好等特性。因為它的預(yù)熱時間較長，故適合在室溫下長時間通電連續(xù)工作。它的測量范圍為05 000 ppm，使用壽命2 000天，內(nèi)部含有熱敏電阻起補償作用。通過各傳感器獲得電信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后輸入單片機與所需要的設(shè)定值相比較，然后控制相應(yīng)的設(shè)備來對各因子進行調(diào)節(jié)。    222 各生長因子的控制    農(nóng)作物生長因子主要是指溫度

10、、濕度、CO2濃度以及光照。    溫度  升溫設(shè)備可以采用熱水鍋爐、燃油鍋爐、太陽能加熱器等，鑒于室外太陽能資源充足，白天可采用太陽能加熱器加熱，實現(xiàn)光能向熱能的直接轉(zhuǎn)換，在太陽不足時，采取電加熱器，由蓄電池組供電。降溫設(shè)備采用濕簾風(fēng)機，其中通風(fēng)設(shè)備采取強制通風(fēng)的方式，即利用風(fēng)機產(chǎn)生風(fēng)壓強制空氣流動降溫，濕簾是利用水蒸發(fā)吸熱的原理來降溫，二者的結(jié)合作用能力強，效果穩(wěn)定。    濕度  當(dāng)實際濕度低于所需要濕度時，可以通過控制安裝在大棚頂端的噴嘴來實現(xiàn)，通過噴霧來提高濕度，同時又不至于使得濕度過大。當(dāng)濕度過高，則可

11、以通過通風(fēng)來降低，這是利用濕度差來進行室內(nèi)外的空氣交換實現(xiàn)。    CO2濃度  CO2的濃度直接影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，合適的CO2濃度可能達到40200的增產(chǎn)。大氣中的CO2濃度僅為350 ppm，在溫室中需要提高CO2濃度，可利用CO2發(fā)生器來實現(xiàn)，采用化學(xué)反應(yīng)、燃煤、燃氣等方式來產(chǎn)生CO2，當(dāng)CO2濃度過低時，即可通過控制CO2發(fā)生器的開關(guān)來提高。當(dāng)濃度過高時，通過打開通風(fēng)機即可。    光照  光照的控制設(shè)備為遮陽設(shè)備和補光設(shè)備，當(dāng)光照過強時，可借助遮陽設(shè)備來實現(xiàn)，當(dāng)光照過弱時，可利用補光燈來實現(xiàn)，而且

12、補光燈開啟的數(shù)量受外界光照的影響，最終達到較為合適的光照強度。    223 AD轉(zhuǎn)換    AD轉(zhuǎn)換采用TLC1549，將各傳感器所采集的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入單片機進行處。，對各因子加以控制。TLC1549為逐次比較型10位AD變換器，其片內(nèi)自動產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時間脈沖。轉(zhuǎn)換時間小于21s。其具有固有的采樣保持電路，終端兼容TLC549，TLV549，采用CMOS工藝，有2個數(shù)字輸入和1個三態(tài)輸出，可和微處理器直接相連。    224 軟件實現(xiàn)    該系統(tǒng)中所采用的單片機可

13、以選擇5152系列單片機，如AT89C51。通過單片機編程來實現(xiàn)對各種設(shè)備開關(guān)的控制，其控制流程圖如圖5所示。環(huán)境智能控制流程圖3 結(jié)語該系統(tǒng)實現(xiàn)了對太陽能資源的有效利用，采用MPPT和自跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，且可以較好地智能控制農(nóng)作物各生長因子，使得農(nóng)作物生長在最為合適的環(huán)境中，大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。本文中所涉及的只是單間溫室的智能控制，然而可以通過通信接口RS 232與上位機進行通信，實現(xiàn)集散控制，這樣可以大大提高總體工作效率。托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實力，和自主研發(fā)的配套

14、設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠程控制異地園區(qū)進行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風(fēng)機，自動補光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關(guān)窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時看到作物的實時生長狀況。4、預(yù)警模塊：即遠程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報警、短信報警、語音報警等方式進行預(yù)警。