太陽能溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1、太陽能溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)為適應(yīng)市場(chǎng)的需求，目前溫室大棚在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用，其中以美國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家發(fā)展最為迅速， 基本實(shí)現(xiàn)了環(huán)境智能監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。而在國(guó)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(dòng)化程度落后、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，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(shí)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(yùn)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(yuǎn)的空曠地區(qū)，對(duì)電能的利用并非很方便，但是太陽能資源豐富，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的利用成為一個(gè)值得思考與解決的問題。1 設(shè)計(jì)思想要實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的利用，可以借助于太陽

2、能電池實(shí)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(dá) 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(zhǎng)因子主要有：溫度、濕度、 CO2濃度以及光照。實(shí)現(xiàn)對(duì)各生長(zhǎng)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?；谔柲芄╇姷臏厥噎h(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(cè)控制系統(tǒng)框圖2 模塊化設(shè)計(jì)2 1 太陽能供電模塊該模塊主要包含 MPPT的實(shí)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(gè)部分。MPPT的實(shí)現(xiàn)和自跟蹤系統(tǒng)均是為了實(shí)現(xiàn)太陽能更高

3、效率的利用， 蓄電池充放電監(jiān)控則是對(duì)蓄電池、太陽能光伏組件陣列以及負(fù)載的保護(hù)， 電壓轉(zhuǎn)換使得該系統(tǒng)可為各種交流和直流負(fù)載供電。 太陽能供電模塊框圖如圖2 所示。2 1 1 MPPT的實(shí)現(xiàn)MPPT即最大功率點(diǎn)跟蹤， 是指控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)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(duì)蓄電池充電。MPPT控制的原理實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自動(dòng)動(dòng)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(hào)，進(jìn)而改變太陽能電池板的工作負(fù)載，改變輸出功率點(diǎn)的位置， 以達(dá)到最優(yōu)。 實(shí)現(xiàn) MPPT通常需要斬波器來完成DC DC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

4、實(shí)現(xiàn) MPPT，通過調(diào)節(jié) BUCK變換器的 PWM占空比輸出，使負(fù)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(shí)際上是一種電流提升電路，主要用于驅(qū)動(dòng)電流接收型負(fù)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(fù)載， 從而可使太陽能光伏組件陣列工作在最大功率點(diǎn)。 占空比的調(diào)節(jié)是通過控制 Q基極電壓來實(shí)現(xiàn)，可借助于單片機(jī)編程加以控制。2 12 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(gè)系統(tǒng)中起到儲(chǔ)存與提供能量的作用，在硬件上可借助于單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其軟件程序流

5、程圖如圖4 所示。2 1 3 自跟蹤系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能更大限度的利用，要保證太陽光每時(shí)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(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。目前常用的自跟蹤方法有勻速控制方法、光強(qiáng)控制方法、 時(shí)空控制方法。 為了方便實(shí)現(xiàn)并達(dá)到較好的跟蹤效果，可以將勻速控制法與光強(qiáng)控制法相結(jié)合。并通過對(duì)實(shí)際光強(qiáng)與設(shè)定值的比較，分別采取緊跟蹤、疏跟蹤以及不跟蹤的措施。在硬件上可以通過單片機(jī)、太陽光跟蹤傳感器、光強(qiáng)測(cè)定器等實(shí)現(xiàn)。2 14 太陽能應(yīng)用于溫室的前景目前使用太陽能光伏陣列進(jìn)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

6、在進(jìn)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(shì)。2 2 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、A D 轉(zhuǎn)換模塊、微處理器以及各因子的控制設(shè)備。2 21 傳感器的選取測(cè)溫設(shè)備選擇 SLST系列數(shù)字傳感器，它是采用美國(guó) 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(chǎng)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(cè)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

7、數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理。 溫室內(nèi)濕度的測(cè)量采用 JCJ100MH 濕度變送器，其采用高精度濕敏電容進(jìn)行測(cè)量， 具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。其工作環(huán)境為 -40 80，輸出電壓范圍為 0 5 V，濕度測(cè)量范圍為 0100，均滿足溫室測(cè)量的需求。 土壤濕度的測(cè)量采用高精度土壤水分傳感器， 它采用世界先進(jìn)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(zhǎng)期埋設(shè)在地下任意深度，連續(xù)測(cè)量，其測(cè)量范圍為 0 100，工作電壓為 715 V ，輸出 011 V 的電壓信號(hào)，可經(jīng)適當(dāng)放大后供 AD轉(zhuǎn)換。光照度的測(cè)定可以采用 KITOZER系統(tǒng)光照度變送器。 該種變送器以

8、對(duì)弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測(cè)器為傳感器，具有測(cè)量范圍寬、線性度好、防水性能好、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，其工作電壓為 1230 V ，測(cè)量范圍為 0200 000 LUX，支持二線制 420 mA 電流輸出、三線制 05 V 電壓輸出、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(cè)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(zhǎng)，選擇性和穩(wěn)定性好等特性。因?yàn)樗念A(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，故適合在室溫下長(zhǎng)時(shí)間通電連續(xù)工作。它的測(cè)量范圍為 0 5 000 ppm ，使用壽命 2 000 天，內(nèi)部含有熱敏電

9、阻起補(bǔ)償作用。通過各傳感器獲得電信號(hào)，經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)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(duì)各因子進(jìn)行調(diào)節(jié)。2 22各生長(zhǎng)因子的控制農(nóng)作物生長(zhǎng)因子主要是指溫度、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(shí)現(xiàn)光能向熱能的直接轉(zhuǎn)換，在太陽不足時(shí)，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(jī)，其中通風(fēng)設(shè)備采取強(qiáng)制通風(fēng)的方式， 即利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)壓強(qiáng)制空氣流動(dòng)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(qiáng)， 效果穩(wěn)定。濕度當(dāng)實(shí)際濕度低于所需要濕度時(shí)，可以通過控制安裝

10、在大棚頂端的噴嘴來實(shí)現(xiàn)，通過噴霧來提高濕度，同時(shí)又不至于使得濕度過大。當(dāng)濕度過高，則可以通過通風(fēng)來降低，這是利用濕度差來進(jìn)行室內(nèi)外的空氣交換實(shí)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(dá)到40 200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(shí)現(xiàn)，采用化學(xué)反應(yīng)、燃煤、燃?xì)獾确绞絹懋a(chǎn)生CO2，當(dāng)CO2濃度過低時(shí)，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(shí)，通過打開通風(fēng)機(jī)即可。光照光照的控制設(shè)備為遮陽設(shè)備和補(bǔ)光設(shè)備，當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)， 可借助遮陽設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)光照過弱時(shí)， 可利用補(bǔ)光燈來實(shí)現(xiàn)，而且補(bǔ)光燈開啟

11、的數(shù)量受外界光照的影響，最終達(dá)到較為合適的光照強(qiáng)度。2 23 AD轉(zhuǎn)換A D 轉(zhuǎn)換采用 TLC1549，將各傳感器所采集的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入單片機(jī)進(jìn)行處。，對(duì)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(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時(shí)間脈沖。轉(zhuǎn)換時(shí)間小于21 s。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(gè)數(shù)字輸入和1 個(gè)三態(tài)輸出，可和微處理器直接相連。2 24軟件實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)中所采用的單片機(jī)可以選擇5152 系列單片機(jī)，如AT89C51。通過單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)對(duì)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

12、結(jié)語該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能資源的有效利用，采用MPPT和自跟蹤系統(tǒng)來實(shí)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(zhǎng)因子，使得農(nóng)作物生長(zhǎng)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(jī)進(jìn)行通信，實(shí)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(jiǎn)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(xiàng)目。 浙江托普儀器是國(guó)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(shí)力， 和自主研發(fā)的配套設(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(jì)算機(jī)技術(shù)、 GIS 信息技術(shù)，以及

13、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠(chéng)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(gè)層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測(cè)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(tái)。 ）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(shì)，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(cè)系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可

14、以完成整個(gè)園區(qū)或完成對(duì)異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長(zhǎng)信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長(zhǎng)階段、收獲階段等對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境、噴藥施肥

15、情況、病蟲害狀況等實(shí)施實(shí)時(shí)信息自動(dòng)記錄，有據(jù)可查，在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或者RFID 射頻技術(shù)對(duì)各個(gè)階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時(shí)通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^總控室對(duì)整個(gè)區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括各個(gè)區(qū)域采集點(diǎn)參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時(shí)視頻圖像、施肥噴藥狀況、報(bào)警信息等。鐘子期聽懂了俞伯牙的琴音“巍巍乎若高山，蕩蕩乎若流水”,俞伯牙視其為知音。鐘子期死后，面對(duì)江邊一抔黃土，俞伯牙發(fā)出“此曲終兮不復(fù)彈，三尺瑤琴為君死”的感慨，摔琴而去，從此，高山流水，知音難覓。紅樓里，寶釵與黛玉皆愛寶玉，寶釵看重功名，常拿一些倫理綱常來壓制他的不羈與頑劣，黛玉卻從未提及這些，因她懂得他的心性，她說“你既為我之知己，自然我亦是你之知己”,造化弄人，木石前緣雖是虛空一場(chǎng)，卻懷金悼玉，夢(mèng)縈千古，今日讀來依然蕩氣回腸！不是所有的相遇都可以相知，不是所有的相知都可以永恒。生命里，我們只愿結(jié)交那些心性相宜的人，統(tǒng)一的語言，相同的志趣，將彼此的心靈拉近，一份懂得，不言不語，卻在默契里滋生。懂得，是兩顆心的對(duì)望，潛生一種心靈感應(yīng)，不發(fā)一言，便可知會(huì)。一聲懂得，沒有千言萬語，卻可以令人眸中含淚，心中蘊(yùn)暖。這世間太多人情薄涼，你是否覺得，有一個(gè)真正懂你的人，是一種幸福與慰藉呢？茫茫人海，你不孤單，有人