硬件單片機實現(xiàn)溫室智能控制

近年來，溫室環(huán)境控制在國內外得到了相應的研究和應用。國內現(xiàn)有的智能溫室系統(tǒng)硬件大部分從國外引進，國外的系統(tǒng)是經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，在技術上是比較成熟與先進的。但在我國的應用中出現(xiàn)了一些問題，如體積大、能耗大、溫室降溫較差、在我國使用不適應。從經(jīng)濟效益上看，因其設備投資大，運行費用高，普遍虧損。“林木種苗工廠化生產環(huán)境控制設備與自動化控制集成應用研究示范”是我們自主開發(fā)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于實現(xiàn)農業(yè)精細化、自動化生產，提高農業(yè)生產的效率與農產品的質量有一定的促進作用。

系統(tǒng)硬件相關技術指標要求如下：

( 1) 對現(xiàn)場空氣溫度濕度，土壤基質溫度濕度，光照強度進行實時的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號處理、數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)采集時延 3min，數(shù)據(jù)精度達到10 位，根據(jù)農作物實際生長情況，溫度控制精度 3℃，濕度控制精度 10% RH 。

( 2) 建立使用可擴展的主從控制器通信機制，準確通信距離可達1. 2km。

( 3) 使用可學習、自適應的控制機制，實現(xiàn)精確控制。

( 4) 整套系統(tǒng)可以在0%—100% RH 的濕度范圍內可靠使用10 年以上。

( 5) 溫度年漂移量 0. 1℃ ，濕度年漂移量 1% RH。

1 方案設計和器件選型

1. 1 方案設計

根據(jù)項目和具體的技術指標需求，下位通信選用RS - 485 通信協(xié)議，RS - 485 是雙向、半雙工通信協(xié)議，符合真正多點通信網(wǎng)絡要求，并且它規(guī)定在一條單總線( 2 線) 上支持32 個驅動器和32 個接收器。有些RS- 485 收發(fā)器可修改輸入阻抗以便允許將多達8 倍以上的節(jié)點數(shù)連接到相同總線。由于性能優(yōu)異、結構簡單、組網(wǎng)容易，多站互連時可節(jié)省信號線，便于高速、遠距離傳送。

為保證溫室控制系統(tǒng)可靠性，將系統(tǒng)設計為三級主從控制系統(tǒng)。以ARM 系列單片機為中間主控制器，模塊化下位的數(shù)據(jù)采集和控制單元以便于系統(tǒng)的擴展。上位服務器直接面向網(wǎng)絡，保存下位采集數(shù)據(jù)。選用主控器自帶TCP /IP 功能與服務器通信，自帶RS485 通信功能連接下位數(shù)據(jù)采集與控制單元。具體結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1. 1.1 采集器功能

( 1) 及時可靠地采集溫室現(xiàn)場中溫室溫度、濕度，土壤溫度、濕度，光照強度數(shù)據(jù)。

( 2) 對數(shù)據(jù)作初步的采集處理以及兩次完全采集存儲。

( 3) 接受判別主控制器指令，傳遞數(shù)據(jù)。

1. 1.2 控制器功能

( 1) 識別主控制器控制指令。

( 2) 執(zhí)行控制指令。

1. 1.3主控制器功能

( 1) 測量數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測

通過485 串口與測量終端通信，收集測量終端監(jiān)測的溫室環(huán)境指標。如果終端測量到的數(shù)據(jù)超出了預設的環(huán)境參數(shù)指標，由主控制器實現(xiàn)監(jiān)測報警，提醒觀測人員注意溫室環(huán)境超出指標范圍。

( 2) 測量數(shù)據(jù)存儲和傳送

把各終端的數(shù)據(jù)存儲于主控制器的外插的SD 卡中，要求能夠存儲一個月以上的各終端測量數(shù)據(jù)。也可以通過以太網(wǎng)與任意聯(lián)入局域網(wǎng)的PC 機通訊，將存儲數(shù)據(jù)傳送到PC 機上保存。 ( 3) 以太網(wǎng)通信

主控制器與服務器之間利用以太網(wǎng)通信，選擇的主控制器上需要帶有以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，系統(tǒng)具備TCP /IP 協(xié)議棧，能夠在TCP 和UDP 協(xié)議層上構建應用層網(wǎng)絡通信，HTTP 網(wǎng)頁服務器功能，TFTP、FTP 文件傳輸功能。

( 4) 終端控制

主控制器控制測量終端的測量特性，設置環(huán)境參數(shù)采樣間隔，參數(shù)指標閾值等。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)和控制目標及時的完成控制理論計算。向下位控制器發(fā)送控制指令。要求主控制器具備現(xiàn)場操控，和遠程操控兩種操作方式。既可以由現(xiàn)場操作主控制器查看終端測量數(shù)據(jù)，又可以以主控制器作為WEB 服務器，在服務器提供的網(wǎng)頁中顯示測量數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)頁中加入CGI 功能，用戶可以通過網(wǎng)頁實現(xiàn)遠程控制。