农业温室大棚环境调控与管理系统设计.docx
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农业温室大棚环境调控与管理系统设计
1引言
随着控制技术、Internet和移动通信技术的飞速发展，农业生产的自动化、信息化水平不断提高，“可控环境农业”的研究已经越来越为人们所重视。
如何方便有效地对温室环境进行监测和控制，如何提高农业生产的信息化水平是目前可控环境农业研究的重点。
本章简要说明了课题的研究背景和现实意义，并综述了温室环境监控技术的研究现状和发展趋势，在此基础上提出了本文的研究内容。
1.1远程温室监测系统的应用现状及发展前景
自20世纪80年代以来，我国工程科技人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究，希望通过改变植物生长的自然环境、创造适合植物最佳的生长条件、避免外界恶劣的气候，达到调节产期、促进生长发育、防治病虫害等目的。
由此而引发的各种温室测控技术的实际应用与研究也取得了长足发展。
发达国家已经向高层次的自动化、智能化方向发展，形成了现代化水平高，比较完善的技术体系[1]。
我国温室测控技术应用研究虽然也取得了一定的进展，但是与发达国家相比依旧存在较大差距。
随着世界设施农业栽培技术发展迅速，温室面积和产量大幅增加，对各种温室测控技术以及与之紧密相关的通信技术的研究，已经引起该领域内的专家学者的广泛关注。
1.2国内外温室测控技术
1.2.1国外温室测控技术研究状况
发达国家如荷兰、美国、英国等都大力发展集约化的温室产业，温室内温度、湿度、光照、CO2浓度、水、气、营养液等实现计算机调控。
荷兰在1974年首次研制出计算机控制系统CECS。
l978年日本东京大学的学者研制出微型计算机温室综合环境控制系统。
目前，日本、荷兰、美国等发达国家可以根据温室作物的特点和要求，对温室内的诸多环境因子进行环境控制。
在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料温室和其它人工栽培设施达到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列。
蔬菜、花卉、水果等普遍实行设施栽培生产。
针对种苗生产设施的高温、多湿等不良环境。
日本有关部门进行了如下几种设施项目的研究。
主要有设施内播种装置、苗灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装置（温度、湿度及光照控制）、缺苗不良苗的检测及去除和补栽装置、CO2施肥装置等方面的自动化研究[2]。
而在韩国，从l992年以来，政府就把设施园艺作为重点事业来推进发展，到1992年底，设施栽培面积为5.3万mm2，其中带环境控制的现代化设施的设置面积占10%左右[3]。
由于温室能完全控制作物生长的各种条件，近年来温室农业在以色列得到了飞速发展。
以色列温室结构非常先进：
它装有幕帘、天窗及遮阳网，可根据光线强度的不同自动调节和移动，并装有空气温度和湿度调控等温室计算机环境控制系统。
以色列科学家成功地开发了一系列计算机软件、硬件，实现了温室中供水、施肥和环境自动化控制。
最新的弥雾气候控制技术，使温室降温所需的能量非常小[4]。
以色列的温室从80年代到90年代更新了三代，利用计算机控制水、肥和温室小气候，自动调温、调湿、调光，而且结构非常先进，促进了工厂化农业的大发展。
荷兰园艺温室发展较早，由于地处高纬度地区，日照短，全年平均气温较低，因此，集中较大力量发展经济价值高的鲜花和蔬菜，大规模地发展玻璃温室和配套的工程设施，全部采用计算机控制。
荷兰的全自动化温室成套设备在世界市场上享有很高的技术声誉，但荷兰的温室业是一种高能耗的产业，全国每年温室消耗天然气达42亿立方米[5]。
英国农业部对温室的设计和建造也很重视，在英国西尔索农业工程研究院，科学家们进行了温室环境（温度、湿度、光照、通风及CO2及施肥等）与作物生理、温室环境因子的计算机优化、温室节能、温室自动控制、温室作物栽培与产后处理、无土栽培的研究。
目前，英国的温室大量采用计算机管理，主要控制温度、湿度、通风、CO2浓度、施肥、营养液供给及pH值等。
伦敦大学农学院研制的计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的温度、湿度等环境状况，并进行遥控[6]。
另外，国外温室业正致力于高科技发展遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中，Alves-Serodio，C.M.J等在ISIE’98国际会议中提出一体化的温室网络管理体系模型，可将气候的调节、灌溉系统与营养液的供给系统作为一个整体，并可以实现远程控制。
1.2.2国内温室测控技术研究状况
a）集散控制系统（DCS）
智能温室的自动控制系统一般是由控制计算机、传感器、执行机构及驱动部件组成的多输入、多输出的闭环控制系统。
在现代温室测控系统中，运用最多，技术最成熟的是集散控制系统，总线结构一般采用RS485.温室群集散控制系统一般以PC机或工控机为上位机，单片机作为下位机组成。
下位机的任务是完成现场与作物有关的环境参量及作物生理参量的信息采集、分析处理和存储显示，并通过RS485总线同上位机相连；上位机则主要实现环境的调控策略、集中操作管理、通信控制等功能，协调各从机之间的数据传送工作，从而实现对整个系统的有效管理。
随着单片机及微机技术、网络技术的发展和应用，采用微机与多台单片机构成小型集散控制系统在现代温室测控领域的运用非常普遍。
它利用单片机价格低、功能强、抗干扰能力好、温限宽和面向控制等优点，结合微机的软硬件支撑，是一般规模温室测控系统的常用选择方案。
但是这类温室集散控制系统存在着固有的缺陷：
控制系统的物理层采用上下位机主从集散控制结构，一旦上位机出现故障，将会导致整个控制系统瘫痪，危险过于集中，系统的可靠性和稳定性不佳；同时该测控系统采用RS485总线，有效传输范围不超过1200m。
这将成为现代温室集群化方向发展的瓶颈，系统的拓展性不好，布线复杂，成本较高。
但是作为主流的温室测控系统架构方案，集散控制系统采用基于RS485、RS422等总线结构的通信方式在国内外温室测控领域仍然占据主导地位。
b）国内温室测控技术
我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，20世纪80年代中期开始应用于温室控制与管理领域。
从1979至1987年陆续从6个国家（荷兰、日本、美国、意大利、罗马尼亚、保加利亚）等引进24套温室，总而积19万平方米。
这些温室系统的引进，总计投资960万美元，人民币2570万元。
每平方米面积投资80-100美元，还不包括修建锅炉房、水塔等辅助建筑的投资和国内运费、关税等开支[7]。
从国外引进的现代化温室，虽然在国外经过多年的发展和完善，技术上也比较成熟和先进，但是在使用中却出现了一些问题，如体积大、能耗大、湿帘降温较差；从经济效益上看，因为设备投资大，运行费用高，产值较低，普遍亏损等，所以并末得到普及。
实践证明，如果既要符合我国自己的气候特点，又可降低投资费用，根本出路在于吸收国外温室设施的有益经验和技术，建设我国自己的温室产业，设计生产符合我国经济水平和各种气候特点的温室系列[8]。
从80年代开始，我国的农业工程科技人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和CO2等单项环境因子控制技术的研究，并逐步推出适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件需要的温室产品。
20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并采用VisualBasic开发了基于windows操作系统的控制软件。
90年代中后期，江苏理工大学毛罕平等研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、CO2，施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。
在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学，中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施计算机控制与管理技术，“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金委，均首次增设了工厂化农业（设施农业）研究项目，并且在项目中加大了计一算机应用研究的力度。
90年代末河北职业技术师范学院的目忠文研制了蔬菜大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。
吉林工业大学于海业、马成林等人（1999）研制的温室环境（温度、湿度）自动检测系统是以一台IBM/PC及其兼容机作为主控机，模/数转换采用插入式数据采集板卡来实现的。
还有许多高等院校、科研所都在进行温室控制系统的相关研究，并且许多单位都己建起或将要建起温室控制系统的总体框架，并形成了一些控制理论，如王宇欣的《高寒地区充气膜温室局部环境调控分析》等[9]。
可以看出我国温室设施计算机应用与研究，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。
这些无疑对我国的温室发展起了积极的作用，但是与国外先进水平相比仍有一定的差距。
2系统组成
2.1系统总体结构
目前国内外研究开发的温室控制系统，大致可分为以下三种：
1）单独式多单元温室系统。
这种控制系统主要利用专门的温室气候控制计算机来检测多个传感器的输入信号及输出控制信号，这种控制计算机的外形与PC机相似，所有的传感器和继电器由电缆与它直接相连，通过显示屏以画面的形式生动地显示温室运行情衫之，并可以存储、打印、统计分析、曲线说明等。
但这种控制系统的价格比较昂贵。
2）单片机控制一个温室单元系统。
这是随单片机的发展而出现的，现已经广泛应用于国内外许多温室中。
它充分利用了单片机的数据传输方便快捷、接口通道配置灵活、性能稳定可靠、价格低廉等优点。
但这种控制结构由于单片机存储容量小，不能保存大盘的数据，不利于分析，且人力消耗大。
3）分布式多单元系统。
该系统主要针对由多个温室构成的温室群地区而提出的，它将PC机与前面两种系统的优点融为一体，每个温室由前沿机（气候控制计算机或单片机控制系统）进行分散控制。
主控室中的PC机对温室群集中管理。
这种系统在提高工作效率、安全、舒适性方面有着不可比拟的优越性，是现代温室监控系统的典型模式。
单片机结构简单、物美价廉、设计与使用方便、抗干扰性及适应环境的能力强。
因而常被用作自动化系统的前端处理器（下位机），深入到现场，采集各种数据及信息，进行简单的处理后送至上位机。
同时它也是一种控制器，接收上位机下达的命令，对现场实行有关的控制。
微机功能强大、人机界面友好，能处理很复杂的问题。
在自动化系统中，通常用作中央处理器（上位机），接收来自下位机的信息和数据，经处理后在微机界面上显示，并向下位机下达命令，通过下位机对现场实施控制[10]。
本课题兼顾单片机和微机的特点，采用分布式监控系统。
系统总体结构如图2.1所示。
图2.1系统结构图
本系统由许多分布在各温室中的控制器（下位机）和主控计算机（上位机）组成，每个控制器连接到主控计算机上，处理各种传感器所采集的数据并对控制驱动器进行实时控制：
主控计算机存储、显示控制器传送来的数据，并可以向每个控制器发送控制设定值和其它控制参数，对温室进行监测与控制。
该模式不仅适用于温室群的集中管理，而且能够根据用户需要通过方便、灵活的系统配置及功能重组，实现多个温室的控制管理。
由于温室下位机具有异步串行通信接口，通过设计TTL/RS485电平转换电路，就可以与上位机联网。
从上位机串口出来的RS-232信号，通过RS232/RS485转换器转换成RS485信号，经RS-485通信线与各下位机连接，就可实现上位机与各下位机的联网，而且由于RS485的通信距离可以达到1200米，本系统可以进行远距离的通信。
通信线路如图2.2所示。
图2.2系统通信线路图
各下位机在通信接口上采用具有“平衡差动式”传输特性的RS-485串行接口，其抗干扰性好，可进行千米左右的远距离信号传输。
装在上位机主板ISA插座上的RS232/RS485转换器，主要完成上位机与下位机之间数据信号的电平转换工作以及增强上位机串口的带负载能力。
该网络采用的拓扑结构为总线型结构。
信息传输的可靠性高，不存在信息阻塞问题，可通过对总线控制和通信约定来保证在任一时刻总线上同时只能有一对点通信：
由主机分配总线的使用权，各从机共享串行总线，从机之间不能直接进行通信。
上位机与下位机之间的通信采用定时查询方式，每台下位机对应各自的机器号，上位机依次呼叫各下位机，下位机检查到上位机发送的地址帧与自己的号码相符时，就发出应答信号，实现二者之间的通信。
这时，即使其它下位机上报数据已准备就绪，也不能与上位机通信，进行数据的传输。
这样，就避免了上、下位机通信的冲突，保证了通信的可靠性。
2.2系统总体功能
整个系统由上位机进行统一调度和管理，每个温室的数据采集和环境控制由各自的下位机来完成。
在运行状态下，上位机实时接收下位机采集来的数据，并将历史数据保存到相应的数据文件中，在计算机的屏幕上，可通过画面的切换来显示各温室实时采集到的数据，系统每次接到数据后，就对屏幕进行刷新，从而使温室管理人员对整个系统的运行情况一目了然。
系统的软件由上位机和下位机软件组成。
2.2.1上位机软件功能：
a）采集和发送数据：
上位机通过通信系统接收各下位机从各温室现场采集的数据，而一些需要发送到下位机的数据（如参考参数等）又通过通信系统传给下位机，使整个监控系统能高效、准确、及时地传输数据。
b）实时画面监测：
系统通过在计算机屏幕上以数据表格显示与实时曲线的配合使用，能从整体和细节两个方面对所有温室的环境进行监测，下位机传送的数据随时刷新显示器上的内容，使模拟显示具有实时性。
c）实时报警：
系统运行时可根据各下位机传送来的数据进行分析、诊断，对一些重要的环境参数，可进行实际值与参考值的对比，如越界就产生报警信号，并针对具体情况提供具体解决办法。
d）信息存储查询：
系统在实时检测各温室的运行状况的同时，还对信息（主要指历史数据）进行存储和输出。
各项数据既可根据需要存储在上位机系统中，又可统计生成各种报表，方便查询。
e）上位机遥控下位机：
系统可由客户根据需要将作物生长适宜的环境参数输入计算机系统，需要时将根据专家系统的意见传至下位机调控设备来改变作物的生育环境，其中包括作物生长需要的几项主要的环境因素：
温度、湿度、光照等。
2.2.2下位机功能：
下位机主要负责各温室现场数据的采集和环境设备的控制，采集的数据实时显示在下位机单片机控制的装置面板上，若需要控制相关的设备，如通信口有通信要求，则与上位机进行通信。
a）监控温室环境：
各下位机监视温室内环境参数的变化和现场各种设备的工作情况，并实时地把采集到的数据显示在控制面板上，同时对数据进行分析，根据设定的要求通过控制子程序控制各执行机构。
b）数据的实时打印：
温室现场采集到的各项数据可由下位机的打印设备实时打印出来，以便作为历史数据保存起来。
c）传送和接收数据：
下位机把温室现场待机的数据根据上位机的需要，通过通信线路传送给上位机，下位机也可接收上位机发送来的数据或命令。
3下位机的系统设计（硬件）
3.1控制中心的设计
3.1.1单片机的选型
电子技术、微电子技术特别是大规模和超大规模集成电路技术的飞速发展和成熟，使得计算机不断的更新换代，尤其是微型计算机，其发展速度之迅猛，应用范围之广泛是以往任何技术都无法比拟的。
而作为微型计算机技术的一个独特分支的单片机技术，使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说当今世界正在经受一场以单片机技术为标志的新技术革命浪潮的冲击。
单片机一经出现，便以其小巧价廉，功能强，稳定可靠，集成度高，运算速度快，功耗低，扩展容易，抗干扰能力强，系列齐全:
使用方便灵活等优点广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域，这使得单片机成为当今世界上销售量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机产品，单片机技术的开发和应用水平已成为一个国家工业发展水平的标志之一。
为了适应各种应用领域的需要，世界各国都在不断地进行研制和开发。
目前世界上最具实力的单片机开发公司有:
美国的Intel,ATMEL,荷兰的Philips，德国的Siemens等。
其中Intel公司开发的MCS-51高性能8位机代表着单片机的发展方向，成为单片机领域中的主流产品，其他公司则纷纷推出了与MCS-51系列兼容的单片机，ATMEL公司的89系列Flash单片机便是其中的一种。
其以Intel80C51/52作为内核，并采用可重复编程的FlashROM技术，是一种源于8051而又优于8051的单片机，己成为广大MCS-51用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。
根据系统的功能和要求，设计选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89C51作为控制中心。
3.1.2AT89C51单片机概述
a）AT89C51单片机的性能特点
AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4KBFlashEPROM，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的NURAM技术，且引脚和指令系统都与MCS-51产品兼容，最大特点就是其闪速其主要性能如下:
存储器优越的在线可重复编程性能。
其主要性能如下：
4KB可改编程序Flash存储器，可经受1,000次的写入/擦除周期；全静态工作:
OHZ～24MHZ；
三级程序存储器保密；
128B（8位）内部RAM；
32条可编程I/0口线；
2个16位定时器/计数器；
5个中断源；
可编程串行通道；
片内时钟振荡器；
低功耗的闲置及掉电保护模式。
AT89C51型单片机的内部结构如图3.1所示，它包含以下功能部件：
图3.1AT89C51型单片机的内部结构
b）引脚配置
AT89C51单片机有40个引脚，为CMOS工艺双列直插封装（DIP）其引脚配置见图3.2。
（1）主电源引脚
VCC接十5V电源正端
GND接+5V电源地端
（2）时钟震荡电路引脚XTAL1和XTAL2
（3）控制或与其它电源复用引脚RST、ALE/PROG、
和/VP
RST为复位输入端；ALE为地址锁存允许信号，
为Flash存储器编程脉冲输入端；
为外部程序存储的读选通信号；
为访问外部程序存储器允许端，VPP为Flash存储器编程电源12V输入端。
（4）输入/输出引脚PO.O-PO.7,Pl.0-Pl.7,P2.O-P2.7和P3.O-P3.7
PO口（P0.0-P0.7）是三态双向口，通称数据总线。
P1口（P1.0-P1.7）是准双向口，专门供用户使用的I/O口。
P2口（P2.O-P2.7）也是准双向口。
P3口（P3.O-P3.7）是双功能口，第一功能是一般I/O口，第二功能定义具体见表3.1所示。
表3.1P3口各引脚兼用功能表
c）存储器的配置
AT89系列单片机的存储器采用的是哈佛结构即程序存储器和数据存储器分开编址的，它们有各自的寻址系统、控制信号和特定功能。
程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:
内部存储空间和外部存储空间。
这里系统的数据量不太大，程序也不太长，AT89C51片内的4KBROM闪速存储器和128B的RAM数据存储器即可满足要求，无需扩展片外RAM和ROM,CPU只需访问内部RAM和ROM，故在硬件电路设计上将
和
引脚连在一起接VCC，由一上拉电阻将其拉高。
AT89内部存储器地址空间分配为:
片内4KB程序Flash存储空间（0000H～0FFFFH）；片内128字节的数据存储空间（00H～7FH）；特殊功能寄存器空间（80H～FFH）；位寻址空间（OOH～FFH）。
3.1.3时钟电路设计
AT89C51单片机内部有个振荡器，可以用作CPU的时钟源。
这里系统时钟选用内部方式，因为这种方式结构紧凑、成本低廉、可靠性高。
AT89C51内部含有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1（输入端）、XTAL2（输出端）外接作为反馈元件的片外石英晶体（或陶瓷谐振器）和电容Cl,C2组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器，从而利用它内部的振荡器产生时钟。
连接方法见图3.3所示，其中晶体呈感性，其决定着振荡器的振荡频率;电容Cl,C2对频率有微调作用。
电路中反馈元件选用石英晶体，电容CI和C2均为30PF，电容的安装位置应尽量靠近单片机。
图3.3时钟电路连接图
3.1.4复位电路设计
MCS-51系列单片机在上电时需要对内部寄存器以及I/O口的进行复位，这样才能保证运行的可靠性。
本设计采用的复位电如图3.4所示，其由三部分组成，1、上电自动复位电路；2、手动复位电路；3、外部看门狗电路。
上电自动复位电路上电时将单片机自动复位，程序从开始运行。
手动复位电路是系统调试时或者出现异常，需要对系统进行复位时使用的，只需按一下键就可以将系统复位。
看门狗电路是MAXIM公司的微处理器监控芯片MAX706及其外围元件构成的，待系统出现死机或者程序跑飞时，单片机给WDI端的脉冲消失，MAX706的RESET端会产生一个复位信号将单片机复位，从而使系统完成复位功能。
图3.4复位电路
3.2数据采集处理电路的设计
3.2.1传感器的选型
传感器是测控系统的关键部件。
快速、准确地测定温室环境信息，对于探明作物生长环境此时是否为最佳状态，以便适时做出排风、排水和空气湿度调节等措施具有重要意义。
a）传感器的选择及性能指标
系统采用了温度，湿度，光照度，地表水势、地表湿度四种传感器，为系列化产品，均设计有液晶显示窗口和RS-232数据接口。
其使用环境为:
-10℃～+70℃；0～100%RH；电源供电为:
8～24VDC，<20MA；数据传输参数:
9600波特；8位数据位；1位停止位，最大传输距离:
1200米。
各传感器的性能指标如表3.2所示。
表3.2传感器性能指标
b）传感器的工作原理
下面以THM101温度传感器为例介绍其基本的电路结构和工作原理，如图3.5所示。
图3.5THM101温度采集模块的电路结构如图
系统工作时，温度传感器直接将温度信号转变成数字信号，由MCU读出。
湿度传感器输出的电压信号经AD变换器变换成数字信号后经MCU读出。
在整个工作过程中MCU不断采集温度和湿度数据并经由LED显示器交替显示出当前的温、湿度数值。
其他只能传感器模块的工作原理类似。
c）传感器的通信命令和数据格式
以THM101温湿度采集模块为例介绍传感器的通信命令和数据格式。
THM101温湿度采集模块的通信方式采用“呼叫一应答”方式。
在工作中，模块的MCU控制RS-232接口电路平时处于接收状态，一旦接收到总线传来的呼叫命令后，立即对呼叫命令进行命令及地址的解析，并将地址与存贮在EEPROM中的本站地址相比较，如果地址与本站相符，则立即根据呼叫指令将本站的温度或湿度数据送出作为应答。
3.2.2模数转换器
a）模数转换器的选型
在以单片机为核心的实时测控系统中，被测量对象的有关参量是一些连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等物理量，而单片机只接受数字量，所以这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到单片机进行处理。
若输入的是非电量模拟信号，还需通过传感器转换成电信号并加以放大。
模数转换器便是实现模拟量变换成数字量的设备，因此模数转换技术便成为数字测控系统中非常重要的一项技术。
模数转换芯片种类很多如:
计数比较型、逐次逼近型、双积分型、并行式、改进式等，而在选择转换器时应主要从速度、精度和价格上综合考虑。
经分析比较，以逐次逼近式A/D转换器的性价比为最宜。
其在转换速度和精度上都比较适中，转换时间一般在us级，转换精度一般在0.1%上下，只是抗干扰能力较弱，适用于一般场合。
但因逐次比较式A/D转换器具有接口简单、清晰、软件配置简单等优点且价格适中，被广泛应用于单片机应用系统中。
国内使用较多的有ADC0808/0809,ADC0801-ADC0805及AD0816/0817和AD574等。
这里选择应用广泛的逐次逼近式ADC0809芯片。
ADC0809管脚配置如图3.6所示。
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