西瓜溫室生產(chǎn)溫濕度控制系統(tǒng)——以華東地區(qū)為例

一、項目概述

1.1 引言

溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標是提高控制與作業(yè)精度。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)工程因其涉及學科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，己越來越受到世界各國的重視。這也為我國大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機遇，并產(chǎn)生巨大的推動作用。本項目以ATmega16a4芯片為控制芯片，設(shè)計了一套適用于當前西瓜溫室生產(chǎn)的溫度和濕度自動控制系統(tǒng)。

1.2 項目背景

中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，“三農(nóng)”問題關(guān)系到國民素質(zhì)、經(jīng)濟發(fā)展，關(guān)系到社會穩(wěn)定、國家富強、民族復興。“十二五”發(fā)展規(guī)劃中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是的重中之重，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)靠天吃飯的局面仍未根本改變。農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件還比較差，抗御自然災(zāi)害能力較弱。

溫室是現(xiàn)代西瓜生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，溫度和濕度是影響西瓜生長發(fā)育很重要的兩個因子。西瓜為耐熱性作物，在整個生長發(fā)育過程中需要有較高的溫度。但不同生長時期所需要的溫度和濕度是不同的。我們通過搜集資料了解了西瓜的各個時期生長所需的溫度和濕度后，將其列成表格儲存到單片機里，讓單片機在各個時段控制其所需的溫度和濕度。為西瓜提供一個最適宜其生長的封閉的、良好的環(huán)境，以提早成熟，最終將會給我們帶來巨大的經(jīng)濟效益。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，很多控制芯片已用于控制溫室環(huán)境。控制系統(tǒng)由中央控制裝置、終端控制設(shè)備、傳感器等組成。溫室環(huán)境自動化控制系統(tǒng)在大型現(xiàn)代化溫室的利用，是設(shè)施栽培高新技術(shù)的體現(xiàn)。目前很多農(nóng)村地區(qū)都應(yīng)用溫室種植西瓜但還是處于初級保溫階段，并不能實現(xiàn)溫度、濕度的自動控制，這種種植方式不適合農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，因此西瓜生產(chǎn)溫室自動化系統(tǒng)呼之欲出。

二、需求分析

2.1 功能要求

溫室溫濕度的檢測及控制通過AVR單片機來實現(xiàn)。每年隨著季節(jié)的變化西瓜生長所需的溫度和濕度也不同，我們先編制出溫室西瓜各生育階段最適溫度濕度條件的管理程序表，存儲于AVR單片機的記憶裝置中，AVR單片機根據(jù)程序表確認、修正各棟溫室內(nèi)的參數(shù)，并給終端控制系統(tǒng)指令。各傳感器向AVR單片機輸送檢測信息，根據(jù)AVR單片機的指令輸出控制信號，使電器機械設(shè)備執(zhí)行動作，實現(xiàn)溫室溫濕度調(diào)節(jié)。

（1）溫度需求

經(jīng)過了解，西瓜的生長所需要的最低溫度為10℃，最高溫度為40℃。最適合溫度為25——30℃。西瓜不同生長期對溫度要求不同，發(fā)芽期最是溫度28——30℃，幼苗期最適溫度22——25℃，抽蔓期最適溫度為25——28℃，結(jié)果期的最適溫度為30——35℃。

當溫度過低時，會降低葉片的光合速率，延遲作物的生長發(fā)育，降低果蔬品質(zhì)。而溫度過高則會造成葉片和花的生長速度以及果實成熟的速度加快，使整個作物的生長受到抑制。植物的呼吸作用、光合作用和生長發(fā)育，明顯受晝夜溫度變化的影響。另外西瓜在不同的生長發(fā)育階段對溫度的要求都不同。溫室內(nèi)冬季溫度一般較低，而夏季又偏高，常常不能滿足作物生長的要求，需要對溫度進行控制，使其保持在一段適宜的范圍內(nèi)。溫度控制一般包括冬季的采暖和夏季的降溫。調(diào)節(jié)范圍一般為15-30℃，精度為0.1℃。

（2）濕度控制

濕度也是西瓜溫室環(huán)境控制中相當重要的一個指標。西瓜需水量較多，但它卻要求空氣干燥，空氣相對濕度為50%——60%時最為適宜。在幼苗期和伸蔓期適宜的濕度有利于根系和莖葉的生長發(fā)育，較低的空氣濕度有利于果實成熟，并可提高其含糖量。溫室空氣的絕對濕度與相對濕度一般均大于露地?？諝鉂穸却?，會減少西瓜蒸騰量，作物不易缺水，有利于西瓜的生長發(fā)育，但空氣濕度過大，則會使西瓜的莖葉生長過旺，造成瘋長，影響西瓜的開花結(jié)果。此外，濕度過高還易造成病蟲害的發(fā)生，并可能產(chǎn)生某些生理障礙，而過低的濕度將使西瓜受到水分脅迫而使生長受阻。

溫室內(nèi)空氣濕度受天氣、通風換氣、采暖及作物蒸騰作用的影響。陰天溫室內(nèi)空氣相對濕度一般在90%以上。晴天，夜間溫室處于密閉狀態(tài)，濕度較高，甚至會發(fā)生結(jié)霧現(xiàn)象;而到了白天，由于溫度升高，結(jié)霧消散，空氣相對濕度下降。經(jīng)常發(fā)生這樣的現(xiàn)象，會給西瓜帶來危害，因此需要對濕度進行調(diào)節(jié)和控制。 濕度控制一般包括低溫、陰雨季節(jié)的除濕和高溫晴朗天氣的加濕。溫室的濕度調(diào)節(jié)范圍一般在60-80 % RH，精度為士5%.濕度的調(diào)控影響溫度，要求與溫度的調(diào)節(jié)按一定的程序進行。

2.2 性能要求

1、基于AVR單片機西瓜溫室生產(chǎn)溫濕度自動控制系統(tǒng)

在西瓜溫室生產(chǎn)溫濕度自動控制系統(tǒng)設(shè)計中，軟件、硬件緊密相關(guān)。多用硬件可減輕CPU負擔，提高工作速度。多用軟件可降低成本，但軟件人員的工作量增大。對于此系統(tǒng)，有些部分必須由硬件完成，有些部分必須由軟件完成，對于軟、硬件都可完成的交叉部分，應(yīng)根據(jù)具體生產(chǎn)情況選擇最佳方案，以達到最佳性能價格比。

（1）硬件設(shè)計

①經(jīng)濟合理

系統(tǒng)硬件設(shè)計中，一定要注意在滿足西瓜生產(chǎn)環(huán)境所需的性能指標的前提下，盡可能地降低價格，以便得到高的性能價格比，這是硬件設(shè)計中優(yōu)先考慮的一個主要因素，也是此系統(tǒng)爭取市場和快速推廣的主要因素之一。

②安全可靠

設(shè)計系統(tǒng)和選購設(shè)備時要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動、粉塵等要求，以保證在西瓜生產(chǎn)環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。要有超量程和過載保護，保證輸入、輸出通道正常工作。要注意對交流市電以及電火花等的隔離。要保證連接件的接觸可靠。

③有足夠的抗干擾能力

有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件。例如強電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，高輸入阻抗下的防止漏電等。

（2）軟件設(shè)計

①結(jié)構(gòu)合理

程序應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計。這不僅有利于程序的進一步擴充，而且也有利于程序的修改和維護。另外項目團隊中的每個人可以負責一部分，可以提高效率。

②操作性能好，使用方便

盡量減少操作步驟，系統(tǒng)使用對象大多數(shù)是農(nóng)民，所以系統(tǒng)越簡單才越能夠普及。

③具有一定的保護措施

系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計一定的檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時，便于查找故障部位。對于重要的參數(shù)要定時存儲，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。

④提高程序的執(zhí)行速度

⑤給出必要的程序說明

⑥給出系統(tǒng)的使用說明

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理說明：

溫室的環(huán)境調(diào)控最終要通過一系列的執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)。系統(tǒng)溫室的執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)由自然通風系統(tǒng)，遮陰與保溫系統(tǒng)，降溫系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中這些執(zhí)行機構(gòu)均采用繼電器或電磁閥控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止、報警器的開停，均為開關(guān)量輸入。

華東地區(qū)夏季炎熱，室外溫度在35℃以上，溫室里會超過40℃甚至達到50℃。這時，僅靠自然通風降溫是遠遠不夠的。溫室降溫方法除天窗和側(cè)窗自然通風外主要有:外遮陰，軸流風機強制通風，屋頂噴淋降溫、彌霧降溫等。系統(tǒng)把這些降溫方式進行綜合，根據(jù)溫差大小來啟動不同的降溫設(shè)備。

冬季加溫的方式主要有:內(nèi)遮陰保溫，熱風加溫，熱水加溫，電加溫等。熱水加溫運行穩(wěn)定可靠，也是華東地區(qū)大型溫室普遍采用的加溫方式。所以系統(tǒng)采用內(nèi)遮陰和熱水管道共同保溫。

華東地區(qū)冬季不是特別干燥，加濕控制一般通過噴霧和控制灌水量等方法來實現(xiàn)。而在炎熱高濕的夏季，特別是采用降溫效果明顯的濕簾風機降溫會提高75-80%的空氣相對濕度，給溫室除濕帶來了很大難度。除了開啟天窗、側(cè)窗自然通風外，需要配合使用環(huán)流風機和軸流風機來加強除濕效果，有時甚至要開啟除濕機。

（1）自然通風系統(tǒng)

自然通風系統(tǒng)包括熱壓通風和風壓通風，它的基本要求是能夠提供足夠的通風量，有效調(diào)控室內(nèi)溫度、濕度，達到滿足室內(nèi)西瓜正常生長要求的條件。自然通風系統(tǒng)主要用于通風換氣和夏季的降溫，又可起到排除濕氣的作用。 自然通風系統(tǒng)由側(cè)窗及相應(yīng)的開窗機構(gòu)組成。自然通風系統(tǒng)的設(shè)置，要求有足夠的通風能力的同時，室內(nèi)氣流應(yīng)合理分布，通風系統(tǒng)還能方便調(diào)節(jié)。為保證良好的熱壓通風效果，應(yīng)使通風的進、排風口的高差盡可能大。一般在側(cè)墻下部設(shè)置進風窗口。在塑料薄膜溫室中，為了減少屋面覆蓋薄膜的接縫和方便開窗機構(gòu)布置，也將在溫室兩頭設(shè)窗口。側(cè)窗采用電力驅(qū)動的齒輪齒條開窗，既保證開啟角度達到所需風量，又能保證關(guān)閉后的密封效果和室內(nèi)溫度。

（2）遮陰與保溫系統(tǒng)

遮陰系統(tǒng)是利用具有一定透光率的材料將一部分多余的光照進行遮擋，既保證溫室作物正常生長所需的光照，又防止多余的太陽輻射能在溫室聚集，造成室內(nèi)溫度過高。外遮陰直接將多余的太陽輻射阻隔在室外，用于溫室的降溫和光照調(diào)節(jié)。內(nèi)遮陰在溫室內(nèi)部阻隔多余的太陽輻射，降溫效果不如外遮陰，但當它與濕簾風機降溫系統(tǒng)配合使用時，能大大提高降溫效能，使室內(nèi)氣流更加通暢。另外，內(nèi)遮陰可以阻隔溫室內(nèi)的空氣對流，有效的反射夜間溫室內(nèi)的紅外線輻射，使熱空氣留在作物生長的空間，防止熱量通過輻射形式散失，具有保溫節(jié)能的作用。遮陰與保溫系統(tǒng)由外遮陰，內(nèi)遮陰及其傳動機構(gòu)與動力機構(gòu)組成。內(nèi)外遮陰均采用齒輪齒條傳動機構(gòu)進行驅(qū)動，運行安全可靠。

（3）降溫系統(tǒng)

華東地區(qū)炎熱的夏季室外氣溫往往接近37℃，而溫室內(nèi)的溫度更是會超過45℃。這時單靠自然通風系統(tǒng)是遠遠不能滿足溫室內(nèi)的溫度控制要求的，所以需要啟動降溫系統(tǒng)，保證溫度控制在適宜作物生長的范圍內(nèi)。溫室內(nèi)的循環(huán)通風能使空氣形成有序的流動，保證室內(nèi)氣候的均勻和穩(wěn)定。機械通風是依靠風機產(chǎn)生的風壓強制空氣流動，作用能力強，通風效果穩(wěn)定。而通過強迫空氣運動和增大空氣與水接觸面積的蒸發(fā)降溫可以提高濕熱交換率，是現(xiàn)代溫室夏季生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控中應(yīng)用最為廣泛和有效的降溫技術(shù)之一。

降溫系統(tǒng)由環(huán)流風機，機械通風風機組噴霧降溫系統(tǒng)組成。溫室循環(huán)通風選用簡潔型的環(huán)流風機，懸掛在溫室骨架上，方便操作并避免直接吹向作物表面。機械通風選用負壓排風方式的軸流式風機，安裝在溫室下風向的山墻上。噴霧降溫設(shè)備選用高壓細霧系統(tǒng)，通過一臺高壓主機產(chǎn)生較大的壓力，將經(jīng)過過濾的凈水送入管路，再由各處的噴頭霧化噴出，超細霧顆粒在落下之前被蒸發(fā)，起到降溫的作用。噴霧降溫需配合風機使用。

（4）加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)有提高室內(nèi)溫度、促進室內(nèi)空氣流動和降低空氣濕度的作用。華東地區(qū)的連棟溫室，尤其是西瓜生產(chǎn)溫室和育苗溫室，冬季生產(chǎn)也需要進行加溫或臨時加溫。用熱水采暖系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度可達到較高的穩(wěn)定性和均勻性，雖然一次性投資較多，循環(huán)動力較大，但對于大型的溫室群而言，熱損失小，運行比較經(jīng)濟。加熱系統(tǒng)由鍋爐，熱水輸送管道，循環(huán)水泵和各種閥門組成。閥門的開關(guān)用單片機間接控制。

（5）增濕系統(tǒng)

溫室是個相對封閉的生產(chǎn)設(shè)施，自然降雨不能被直接利用，溫室內(nèi)的作物需要的水分完全依靠人工灌溉來保證。微灌是特點是灌水流量小，一次灌水延續(xù)時間長，周期短，能夠較精確地控制灌水量，把水和養(yǎng)分直接輸送到作物根部附近的土壤中或葉面，滿足作物生長發(fā)育的需要。微灌可以分為以斷續(xù)滴出方式出流的滴灌，以噴灑方式出流的微噴灌和以微孔隙緩慢滲出出流的滲灌等。

微灌系統(tǒng)由水源，首部樞紐，輸配水管網(wǎng)和灌水器以及流量、壓力控制部件和量測儀表組成。滴灌滴頭選用內(nèi)鑲式滴灌管，噴灌噴頭采用旋轉(zhuǎn)式，省水且能耗低，微噴霧化好，能有效提高溫室濕度。灌溉用電磁閥控制，實現(xiàn)自動化合理供給。

注：本項目最終會做出一個溫室模型，以上所描述的各種設(shè)備將用功能類似的模型代替。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

ATmega16a4，電機，繼電器，電磁閥，傳感器（溫度、濕度、光照、壓力、風力等）

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序運行流程圖

本項目使用溫度傳感檢測當前瓜田溫度，用三位數(shù)碼管顯示當前溫度值，單片機可通過鍵盤設(shè)置適合西瓜生產(chǎn)的溫度上限而和溫度下限，并保存到存儲器中。

上電后，單片機進行初始化。然后進入計時程序，采集外部溫度，與各個時間段設(shè)置的溫度進行比較，不合格就進入溫度處理子程序并進行語音報警，讓執(zhí)行溫度的系統(tǒng)繼續(xù)運行，系統(tǒng)進入濕度測量，判斷是否與當前系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定好的溫度符合，不符合就轉(zhuǎn)入濕度子程序并進行語音報警。讓濕度調(diào)節(jié)器件繼續(xù)調(diào)節(jié)濕度，系統(tǒng)繼續(xù)去外部溫度和濕度進行判斷，并給予相應(yīng)執(zhí)行動作。

3.5 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果

制作出系統(tǒng)模型，能夠仿真運行，當外界環(huán)境改變時達到自動調(diào)節(jié)溫室的溫度和濕度。