绿色节能自动温控大棚整理.docx

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绿色节能自动温控大棚整理

基于绿色节能自动温控大棚方案的研究

摘要：

大棚种植能生产反季节作物，供应市场，满足人们的生活需要。

温度对于大棚种植至关重要，它直接影响作物的产量和质量。

本文基于这一点对绿色节能自动温控大棚的方案进行了研究，利用高温太阳能与地源蓄热及热泵温控系统，实现大棚内温度始终稳定在所种植作物适宜生长的温度范围内，进而让作物正常生长。

这种方案成本低、技术简单、测量精度高、系统误差小、易于实现，在绿色节能自动温控大棚方面有一定的市场潜力和社会效益。

关键词：

大棚种植；温度；绿色节能；温控系统

第一章绪论

一、研究背景及意义

随着我国国民经济的发展，人民的生活水平日益提高，冬季大棚蔬菜的市场日渐扩大，尤其是北方地区在寒冷的冬季用塑料大棚栽培蔬菜，更体现出经济价值。

仅靠南菜北调长途运输，一是成本高，二是运到目的地，蔬菜已经不新鲜了。

所以，依靠农业科技，大力推广温室大棚种植蔬菜能更好地满足人民生活需要，这也是国家菜篮子工程所包括的内容。

作为冬暖式蔬菜大棚的发源地，寿光掀起了我国的“菜篮子革命”，结束了冬季北方人吃不到新鲜蔬菜的历史，目前这里的无公害蔬菜大棚已经发展到80多万亩。

由于我国人口众多，土地、水资源及各种能源短缺，在人民生活水平不断提高，对农副产品的需求不断增加的今天，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。

以日光温室为主的温室大棚蔬菜生产，己成为我国园艺产品尤其是蔬菜产品周年供应的重要措施。

温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。

而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。

由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为寿光农民家庭收入的主要来源。

随着“工厂化高效农业示范工程”的推进，日光温室无论从规模上还是技术上都取得了很大进步，但在配套设施的完善程度上，生产的稳定性、产业化程度和现代化水平上都只能算是工厂化农业的雏形，与发达国家的农业现代化相比，仍有相当大的距离，尤其在温室生产环境自动控制方面。

温室环境控制，即根据植物生长发育的需要，自动调节温室内环境条件的总称。

现代化温室，通过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动调控温室的环境，其中包括温度、湿度、光照、CO2浓度、水分等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，达到早熟、优质、高产的目的。

冬季大棚蔬菜最重要的一个管理因素是温度的控制。

温度太低，会发生蔬菜冻死或者停止生长，所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。

今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。

单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。

时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。

采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。

基于此，本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。

随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温度控制措施。

温度控制在计算机与自动化测控领域中应用非常广泛，传统的测控方法是:

采用温度感应元件，提取电信号，放大调理，A/D变换，将温度相关数字信号传送到计算机，进行数据处理及显示得到温度测试数据。

这种测试方法在工程应用中很麻烦，尤其在分布式多点测试、集中控制采集、测试现场远离集中控制中心的场合，这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，同时线路上传送的是模拟信号，将造成技术复杂、设备成本高、数据传输易受干扰、测量精度低、系统误差大等缺点。

为了克服这些缺点，为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的设计方案，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。

数字化单总线技术系统方案如图1所示。

图1：

数字化单总线技术系统方案框图

本文介绍的温度测控系统是基于单总线技术及其器件组建的。

该系统能够对大棚内的温度进行采集，利用温度传感器将温室大棚内温度的变化，变换成电流的变化，再转换为电压变化输入模数转换器，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际温度，同时通过比较，对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析。

根据分析结果对温度控制设施进行开关控制，从而达到控制棚内温度的目的。

二、国内外研究现状

国外计算机用于温室环境控制技术研究较早，开始于上世纪70年代末。

随着通讯技术及计算机技术的发展，温室环境调控技术在日本、荷兰、美国、以色列等发达国家得到了迅速发展。

1978年日本学者首先研制出微型计算机温室综合环境控制系统，随着计算机技术的发展，80年代末出现了分布式控制系统，开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

目前荷兰、日本、美国、以色列、等发达国家可以根据温室作物的要求和特点，对温室内光照、温度、，水分、气、誉肥等诸多因子进行自动控制。

在智能温室的发展方面，美国作为最早发明计算机的国家，它也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。

美国开发的温室计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。

目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥侧等高新技术应用于温室生产，有82%的温室使用计算机进行控制，存67%的农户使用计算机，其中27%的农户还运用了网络技术。

炙现在国外温室环境控制技术正朝着高科技方向发展，网络技术、一遥测技术己逐渐应用子管理与控制系统中。

自80年代起，农业决策支持系统引起了世界发达国家的关注，有的以作物模拟模型为基础，有的从专家系统出发研制所在领域的农业决策支持系统，有的以温室环境控制为基础，都取得了不少成果。

如在模拟作物生长方面，在国外，美国夏威夷大学的IBSNAT推出的DSSAT系统，是由作物模拟模型支持的决策支持系统，除了数据支持以外，还提供了计算、解题的方法，并为决策者提供决策的结果;荷兰和以色列及美国等科学家还联合开发了著名的HORTISIM作物模拟模型，是目前温室园艺作物模拟技术发展的典型代表，模型中包括了番茄、黄瓜、甜椒等多种园艺作物的模块。

到90年代初期，农业决策支持系统又有了进一步的发展，形成了以知识库系统或以专家系统支持的智能化的农业决策支持系统，如1992年美Florida大学农业工程系H.Lal等人研制的FARM-SYS（FarmMachineryManagementDecisionSupportSystem）和D.E.Kline等人研制的农场级智能决策支持系统（FINDS）。

国内对温室控制技术研究起步较晚。

自20世纪80年代以来，在引进、吸收国外高科技温室生产技术的基础上，我国进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究。

1982年中国农业科学院建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构。

1995年，北京农业大学研制成功的“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，仅仅是进行单因子控制，操作性和可靠性均不够理想。

我国近代温室经历了发展改良型日光温室、大型玻璃室和现代化温室三阶段，并且各阶段温室仍然并存，其中有一半为一面坡节能型日光温室，用于寒季蔬菜、花卉的反季节生产。

现今我国温室的主要类型主要包括以玻璃为通明覆盖材料的玻璃温室、利用太阳能作为能源的日光温室、活动屋面温室以及塑料温室等等。

在国内，李萍萍、王多辉等对温室生菜生长进行了动态和生产潜力的模拟；高亮之等研制的小麦栽培模拟优化决策支持系统己在中国许多省市大面积推广使用，并取得增产、增收的效果;吕永成等研制的基于专家系统（ES）的水稻优质高产栽培模拟优化决策咨询系统也已经在国内开始推广使用。

在温室环境的控制方面，利用工程技术的方式，结合作物生长的生理要求，实现对温度、湿度、CO2浓度、光照以及水肥进行自动控制。

近几年来，我国加大了在温室结构和温室控制方面的研究力度。

2003年4月4日，中国农业大学的“设施农业分布式网络控制技术研究与开发”项目通过鉴定。

从我国的温室控制系统和控制技术现状来看，温室设施计算机应用，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。

但是，大部分采用的都是简单的直接数字控制方法，即在程序中设定各环境因子的上下限，当测定的环境参数超过上下限时，启动环境控制的硬件系统和机构。

这种方法尚不能根据作物对环境的反应进行实时控制。

目前国内温室专家决策系统的研究，针对农业病虫害诊断性方面的较多，而对于温室环境控制，乃至整个温室监控管理方面的研究不多。

一方面是因为温室环境的知识获取非常复杂，难以对其进行有效的知识表述和推理，包括用合适的计算机程序去实现；另一方面是温室环境系统是一个多变量的大惯性非线性系统，并且有祸合、延迟等现象，很难对温室环境建立准确的数学模型，难以评估最后控制的效果。

尤其是智能决策系统在温室应用方面的研究历史相对较短，还处于刚刚起步阶段，有些方面甚至处于空白阶段。

智能化温室代表着温室的发展方向，将智能决策支持系统运用到温室环境因子的控制中，正是目前智能温室发展的趋势。

在各个方面与欧美等发达国家相比，存在较大差距，尚需深入研究。

第二章控制系统的总体设计

一、控制系统设计目标

本系统的设计方案采用DS18B20单总线数字温度传感器，采集温室内的温度信息，通过通风窗、风机等驱动/执行机构的控制，对温室温度参数进行调节以达到栽培作物生长发育的需要。

为作物的生长提供最适宜的温度环境，以大幅度提高作物的产量和质量。

本系统以一台微型机作为上位机，以多台AT89S51单片机作为下位机组成分布式控制系统。

下位机实现对温室温度参数的检测和控制，把由温度传感器采集的温度信息暂存起来，与给定值进行比较，经过一定的控制计算，输出相应的控制信号去控制执行机构进行调节控制;同时通过串行通信接口将数据送至上位机，由上位机完成对数据的管理、决策和统计分析，并对数据进行显示、编辑、存储等处理。

控制系统工作过程如下：

上位微型机经过运行一定的程序后，向单片机发出启动信号，启动单片机及其被控的机构，同时准备接收单片机发送来的信号和数据。

被启动的下位机，一方面定时开启各个传感器测量温室温度环境，传感器将采集到的信号送入单片机进行数据预处理判断分析;另一方面把上次采集到的数据向上位机发送，同时依据计算机发出的控制信号去控制执行机构以便控制调节温室环境温度。

当数据发送完毕且上位机也接受完毕后，上位机把接收到的数据存储、显示或打印，并与参数的设定值进行比较运算，然后把运算结果送入单片机得出控制信号以此控制执行机构的动作。

然后等待下一个时钟中断信号的到来后再向上位机传送数据，如此不断的循环，以保证温室温度参数被控制于所设置范围之内。

本系统的开发设计有以下功能:

1、实时采集与显示温室内的温度参数。

本装置可以通过数字温度传感器对温室内的温度进行多点实时采集并显示。

2、根据用户需要在一定范围内自动调节温室内的温度参数。

本系统能够通过控制温度调节机构，将温室内的温度参数调节到用户所设定的数值附近。

3、记录并存储温室内的温度值和各个调控设备工作状态，并进行简单的数据处理。

系统可以存储一定时间内的温室环境参数和各调控设备运行状态。

通过读取装置，可以将数据读取到上位计算机中，并可以进行排序、计算等简单的处理。

4、用户可以根据不同季节和地区以及不同作物的实际需要，设置不同的温度控制范围。

5、与上位机进行通讯。

本系统可以通过串行接口实现与上位机进行通讯，可以方便的实现温室的远程控制。

使得用户通过上位机的友好界面，对温室内的温度数据进行远程分析操作。

6、温度超限声、光报警。

当温室内的温度超出所允许的范围时，本系统装置能够发出声、光报警。

二、控制系统整体结构

本系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理框图如图2所示。

系统整体结构由温度传感器、单片机、RS-485串口通信、输出控制电路和上位计算机组成。

图2：

温度测控系统硬件电路原理框图

采用单总线技术设计的温度监测系统，如图3所示。

整个系统以AT89S5单片机为主机，其他设备为从设备。

单片机通过RS-485总线与PC机通讯。

PC机作上位机进行实时监控管理，控制器选用MAX813L组成上电复位和看门狗电路。

该系统只要一条双绞线（一根为信号线，一根为地线）从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象（传感器）挂接在一根总线上就可以了。

本系统通过单总线可以挂接很多个智能温度传感器DS18B20，用于温室大棚内不同地方的温度测量和控制。

图中只画出了一个监控现场的配置，其布线接头与通常电话线路使用的一样，插入和拔出都很方便。

图3：

单总线器件组建温度测控系统示意图

该温度测控系统的工作原理就是进行计算机编程和单片机编程，使智能温度传感器DS18B20正常工作，去检测大棚内实际的温度，并由数字显示电路显示出当时的温度值。

如果采集的温度值高于上限报警温度，系统将发出报警，并同时起动制冷设备，把温度降下来，当温度降到一定的程度，即低于上限复位值时，立即关闭制冷设备，使制冷设备停止工作。

当采集的温度值低于下限报警温度值时，系统又发出报警，并同时起动制热设备，使大棚内的温度上升，当温度上升到一定的程度，即高于下限复位值时，立即关闭制热设备，使制热设备停止工作，从而使温室大棚的温度值维持在一定的范围内。

其具体的温度越限自动控制过程如图4所示。

图4：

温度越限自动控制示意图

在测控系统中，开关量控制是应用最多的。

对计算机来讲，则是送出一位0或1控制码信号，用它去触发被控电路。

通常是先触发光电祸合器，然后启动继电器、晶闸管或固体继电器，视被控设备功率大小而选用合适的开关器件。

本系统选用了可寻址的单总线控制开关DS2405，由它送出1位0或1作为控制码信息，去控制报警设备、通风机执行机构等的开启与关闭。

当单片机发现温度传感器DS18B20采集到大棚内的实际温度超过温度限制时，便让控制开关DS2405去开启声光报替器报警，同时开启空调机工作。

DS9052为防静电保护二极管。

为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入通常在单总线线路的末端都接上DS9502之类防静电保护电路。

系统测量范围-55℃-+125℃，测量精度为0.5℃，反应时间为500ms。

本系统多路温度测控系统电路如图5所示。

图5：

多路温度测控系统电路原理图

第三章总结和展望

利用高新技术发展新型农业，已逐渐发展成为农业经济增长的一个新趋势。

而在这个过程中，建立大棚温室环境智能测控系统为农业高产、优质提供保证，更成为一个亮点。

本文通过对当前温室环境现状分析，根据大棚内作物生长的需要，以AT89S51单片机作为控制核心，以数字温度传感器DS18B20作为测温元件，实现了对温室环境因素中最重要的因素温度的自动控制。

用户可以根据实际需要，及时修改环境控制参数，实现通过上位机干预温室温度的目的。

用户可以采集棚内任意测控点的环境参数值，及时了解温室内不同区域内的环境情况。

温度控制系统虽然能在温室温度控制中发挥很大作用，但由于时间和条件的限制，在许多方面还需要改进。

系统还不具备对温室内多因子的控制，只能控制温度参数，今后还应进一步开发光照、二氧化碳以及风速等温室因子的监测控制;上位机的功能有待于根据丰富，本系统上位机程序只是为系统实验提供条件，如果要实际应用，还需要根据用户的要求进一步完善上位机的功能。

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