（农业机械化工程专业论文）智能化温室测控系统及其串行通讯的研究.pdf

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机通过发送地址码来寻找将要与之通讯的下位机，只有符合要求的下位机 做出回应。上位机程序读取下位机测试数据以后，实现数据的显示、储存、 统计等管理工作。 通过运行调试，试验结果基本满足设计要求。本系统具有较好的经济 效益和社会效益。 关键词：温室单片机串行通讯智能测控 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 r e s e a r c ho f i n t e l l i g e n tm o n i t o r i l l g & c o n t r o l l i n gs y s t e m o fg r e e n h o u s ea n di t ss e r i a lc o 瑚m u n i c a t i o n a b s t r a c t f a c i 王i t i e sa g r i c u l t u r ei sb e i n gd e v e l o p e dm p i d l yf r o m19 8 0 s g r e e n h o u s ei s t h eo n eo ft h et y p i c a lr e p r c s e n t a t i o n s b u to nt h ew h 0 1 et h el e v e lo fm o n i t o 血g a n dc o n t r o l l i n gs y s t e mc a nn o ts a t i s f yo u rc o 咖sd e m a l l d i n g ，b e c a u s eo f m a n yp r o b l e m ss u c ha sc o s ta n de m c i e n cy ，t 1 1 0 s es y 5 t e m si m p o n e d 丘o m a b r o a dc a nn o ts u i tm es i m a t i o no f o u rc o u n 略 t h ep r o j e c tb a s e do nt h es i l u a t i o nt h a tn o w 也el e v e lo fm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mi sv e r yp o o ri no u rc o u n t r y ，a 1 1 dt h ec o n d i t i o nt h a tt h el a r g e p l a l l t e da r e a ，t l ep o o rm a l l a g e m e m ，t h ep o o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n ga b i l 咄 t h el o wl e v e lo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a i m e dt or e s e a r c hak i n do f 口r a c t i c a i a n de c o n o m i c a li n t e i i i g e n tm o n j t o d n g & c o n t r o l i i n gs y s t e mo f g r e e n h o u s e t h et h e s i sp u t se m p h a s i so nt h es y s f e mp r 主n c i p l e ，t e i i st 王l ei n f l u e n c eo f t e n l p e m n l r e ，h u m i d i t y ；l i g h ti n t e n s i t ya n ds oo ni nd e t a i l s t h ew h o l ed e s i g n p l a ni so f f 色r e d t h es y s t e mc o s i s t so fp ca n dm l l l t i m i c r o c o n t r o l l e rt h a ti sa s u b o r d i n a t ea 工l dd i s t r i b u t e ds y s t e m p cm a i n l yp e r f b 订n sf 0 1 l o w i n gf h n c t i o n s ： p a r 锄e t e rs e t t 王n d a t ap r o c e s s j n 舀e t c t h em i c r o c o n t r o i 】e rs h o u l da c c o m p l i s h a l lt h em i s s i o n so fr e a l 一t i m ec o n t r o lo ng r e e n h o u s ee n v i r o m e n t ，s u c ha sd a t a g a t h e r i b g ，a n dn _ a n s 商t t i n g d a t at r a 王1 s m i t t i n gb e “v e e nu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r sa r er e a l i z e db ys e r i a l c o m m u n j c a t i o n ，w h j c hi sd e s i g n e da i l dr e s e a r c h e da st l l ee m p h a s i si 1 1t 1 1 i s t h e s i s t h es e r i a lc o m m u l l i c a 石o ni n t e 血c ea p p l y i n gr s 一2 3 2 一ci n t e r f a c e s t a i l d a r d ，m a x i mc o r p o r a t i o n sm a x 2 3 2 c ，a t l d 血eb a u dr a t ei s2 4 0 0 h z ，m e m e a s u r i n gd a t a sa r et r a n s m i t 七e db yt h em e t 圭1 0 do fa s y n c h r o n o u ss e r i a l c o m m u l l i c a t i o n ， t h es y s t e ms o r w a r ei sd e s i g n e db ya s s e m b l yi a n g u a g e ，i no r d e r 幻m a k et h e p m g r 锄d e s i g n e da i l dm o d i f i e de a s i l y ，t 1 1 es y s t e ms e l e c t sm o d u l e 丘蜘ea 1 1 d 2 山东农业大学硕士学位论文 s u b p r o g 舳p r o g r 锄d e s i 9 1 1 i n gt h o u 曲t s i no r d e rt om a k ef u l l u s eo ft 1 1 e r o ma 1 1 dr a m ，t h es t o r ea d d r e s si sd i s t r i b u t e di na d v a i l c e d ，e s p e c i a l l ym e i n s i d e ru s e rr e g i s t e r s a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sd e m a i l d i n g ，t h es o f n a r e i n c l u d e st h em a i np m g r a m ，t h cs e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r 蜘a n ds oo n t h eu p p e rp cc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e db yt h eo b j e c to r i e n t e d p r o g r a m m i n g v i s u a lc + + 6 0 ，m c s c o m m a r eb e i n gu s e dt oa c c o m p l i s hs e r i a l c o m m u n i c a t i o n p cs e n d sa l lo ft h ea d d r e s s e st om i c r o c o n t r o u e r s ，o n l yt h e c o r r e c tl o 、v e rm i c r o c o n t r 0 1 l e rs e n das i g n a lb a c k t h eu p p e rp cs o r w a r ec a i l r e a dt t l ed a t a ss t o r e di nt h el o w e rm i c m c o m r o l l e r s ，a n dp e r f o 肌s 向r l c t i o n s s u c ha s ：d i s p i a y ，s t o r i n g ，a n a l y s i s ，e t c t h er e s u i t so fo p e r a t i n gs a i i s 匆t h es y s t e m sd e m a l l d i n g i tl a y sat e c h n i c a l f b u n d a t i o nf b rr e a l i z i n gt h ep u r p o s ea n dh a sg o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e 行t k e y w o r d s ：g r e e n h o u s e ；m i c r o c o t r o i l e r ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o ；i n t e l i i g e n t ； m o n i t o r i n ga n dc o t r o u i n g 3 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 1 引言 1 1 课题的提出 智能温室控制系统是近年来逐步发展起来的种资源节约型高效设 施农业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合计算机自控技术、智能 传感技术等高科技手段发展起来的。m 6 7 】 在过去的几十年中，目光温室在我国获得了很大的发展，仅山东现有 日光温室总种植面积就达到了数百万亩，全国则超过l o o o 万亩，对解决 城乡人民的蔬菜周年供应做出了重大的贡献。【6 8 】但是广大农村进行生产的 园艺设施绝大部分还是农民自行建造，结构简单的塑料大棚和日光温室， 只能起到一定的保温作用，根本谈不上对光、温、湿、气等环境因子的调 控，因此传统日光温室的人为环境调控能力很低，农艺人员不能及时准确 地了解温室内的各种环境参数值，不能给作物生长发育提供适宜的生长环 境，使产量和品质都受到了很大影响。( 2 “3 j 随着农业产业结构调整力度 的加大和增加农民收入政策的实施，迫切需要对传统日光温室进行改造。 关键问题之一就是增强温室内的人为环境调控能力，为室内作物提供适宜 的生长环境。 农业环境综合控制作为作物速生、优质、高产的手段，是农业现代化 的重要标志，农业设施的自动检测与自动控制是我国急待发展的科研项 目。与此同时微型计算机强大的软硬件逻辑计算功能，高性能价格比，高 可靠性，为温室自动管理提供了强有力的技术保障，也为实现温室环境控 制的标准化、自动化奠定了基础。【3 】国外温室环境测控技术方面的研究 起步较早，现已达到了比较完善的水平，各种设各已达到了自动化的程度。 但都是针对大型连栋玻璃温室，规模大、能耗大、造价高，而且与我国的 气候条件、栽培方式以及栽培品种都存在着很大的差异，且超出了农民的 经济承受能力。 本课题就是针对我国农村现有经济水平适应改造传统日光温室的需 要，研制一种智能化温室环境参数测控仪器。该测控仪器可以实现环境参 数的自动测试，自动保存、以及温室内各设备的自动操作等。这样可使农 艺人员及时而又准确的掌握温室内外各种环境参数的变化情况，以便采取 山东农业大学硕士学位论文 相应的农艺措施，为作物的生长提供最佳的环境条件使其处于最佳的生长 状态。其中记录保存的数据为农艺人员今后的研究提供依据。这对促进我 国农业的发展具有深远的经济意义和社会意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外温室环境的自动监控起步较早，发展也较快。7 0 年代中期，荷 兰、美国等国家己使用微机进行农业环境监测与控制，1 9 8 6 年日本已有 几百台、荷兰有近千台微机用于温室控制管理，据1 9 9 5 年的统计资料， 日本用于温室的各类计算机已接近6 0 0 0 台；法国、英国、罗马尼亚、以 色列等国家在这方面也有所发展。【4 。“4 1 在亚洲韩国、日本、以色列在温室环境控制方面的研究较为活跃。在 日本实行了用计算机对温室温度、湿度、c d ，浓度和肥料等进行控制，以 及灌水机械化、作业自动化、设施内多功能管理以及机器人搬运。系统的 工作性能良好、灵敏度高、工作稳定，对环境调控能力强，但多为单因子 控制且投资成本过高，能源消耗过大，从经济效益上来说不具有可行性。 韩国为扩大生产规模及降低生产费用，温室内设置了一些控制环境的自动 化装置。由于有些自动化装置需靠人工根据经验进行控制，因此没能充分 发挥它们的作用：另外，软件的开发也存在一定问题。【5 “6 】 以色列e l g a l 温室环境控制系统是现阶段国际上较典型的代表性产 品，具有很强的实用性。e l g a l 温室环境控制系统可以根据控制对象的特 点选用不同类型的控制器及外围设备，充分体现了现代化温室内部的环境 需求。瞰6 】 目前，美国绝大多数农场装备了环境控制计算机及温室专家系统软 件，在生产中了发挥一定的作用，取得了一定的经济效益。环境控制计算 机主要用来对温室环境( 气象环境和栽培环境) 进行监测和控制。温室专家 系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了其决策水平，减轻了 技术管理的工作量，为种植者带来很大方便，但系统推理过程显得过于简 单，智能化水平有待于提高。【6 j 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 1 2 2 国内研究现状 1 9 7 9 年我国开始从荷兰、美国等国家引进现代化温室( 包括加湿系统、 保温遮阳幕系统、湿帘降温系统、灌溉系统、c d ，施肥装置、监测与集中 控制系统及其它附属设施) 。但是经实践检验其使用性能及经济效益并不 理想。因此，发展温室不能只依靠引进。1 5 5 j 上世纪8 0 年代以来，我国在吸收发达国家先进技术的基础上，对温 室系统中温度、湿度和c 0 浓度等环境因子的控制技术进行了研究，取得 了一定的成果。如江苏工学院研制的“温室环境测控系统”主要用于无土 栽培实验温室，但造价较高，且处于实验阶段；吉林工业大学研制的“温 室环境自动检测系统”仅实现了温湿度的自动测试，“智能型温室环境控 制器”仅实现了实验温室内喷水的自动控制。于海业等研制的温室环境自 动检测系统，采用专家系统指导下的实时处理方法，及时提供技术指导和 技术咨询服务，建立了友好的人机界面，但只是对温湿度进行检测，未能 扩展到对温室其它环境因子的自动控制。【4 3 3 9 矗1 5 】 从总体上来说，我国自行开发的温室测控系统的技术水平和调控能力 无法满足农业发展的要求，自动化程度和智能化程度在世界上处于落后地 位，与发达国家相比存在着较大差距。因此，应通过对温室的结构、材料、 能源综合利用、人工补光、环境自动控制的仪器设备及计算机软件等方面 进行进一步的研究与开发，以尽快提高我国的温室控制水平。 1 3 课题的研究内容 本课题此前已经做了大量的工作，下位机硬件设计已经基本上完成， 软件方面也取得了阶段性的进展。根据课题的进展状况，本论文将完成以 下的研究内容： l 、根据系统的需要完成传感器的选型工作。传感器处于整个系统的 最前端，其性能与精度对系统的测试精度有重要影响。本系统需要的传感 器有：温度传感器、湿度传感器、土壤水分传感器、空气湿度传感器、c d ， 浓度传感器。这些传感器将为系统决策提供最直接的数据来源。 山东农业大学硕士学位论文 2 、上位机与下位机串行通讯接口的设计。本系统串行通讯接口采用 r s 一2 3 2 c 标准与上位机进行通讯，硬件芯片采用m a x 2 3 2 c 进行电平的转 换，采用的波特率为2 4 0 0 h z 。 3 、下位机软件的设计完善。本系统下位机软件采用m c s 5 l 汇编语 言进行编写，采用模块化的程序设计思路，要实现下位机系统的正常协调 运行，并且能够响应上位机的呼叫，做出相应的回应。 4 、上位机通讯软件的设计。本系统采用功能强大的面向对象的高级 程序设计语言s u a lc + + 6 o 编写上位机通讯程序，实现串行通讯有多种 方法，可以灵活选用，并且支持多线程，适合开发复杂的应用程序。 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 2 温室环境控制原理及控制技术 2 1 温室环境因子 作物的生长发育及产品的最终形成，其产量与质量一方面取决于作物 本身的遗传特性，另一方面取则决于外部环境条件 9 7 0 1 。在实际生产中， 一方面通过育种技术来获得具有新遗传性的品种，另一方面要通过先进的 栽培技术及适宜的环境条件来控制其生长和发育。影响作物生长发育的环 境条件主要包括：温度、湿度、光照、c d ，浓度、土壤等。所有这些环境 条件之间是相互作用、相互联系、相互耦合的，某个控制变量发生改变， 会影响其它控制变量的变化。作物的生长发育是所有这些环境条件综合作 用的结果_ 1 “l 。下面就这些环境条件对作物的影响进行简略说明。 1 温度 温室内气温、地温对作物的光合作用、呼吸作用、根系的生长和水分、 养分的吸收有着显著的影响，因此影响作物生长发育的环境条件中，以温 度最为敏感，也最为重要，对温室环境控制的研究也是最先从温度控制开 始的。不同种类的作物对温度的要求是不同的，同一作物在不同发育阶段 对温度的要求亦有所不同，而且在同一发育期阶段内对温度的要求也会随 着昼夜变化而呈周期性地变化。一般说来在白天作物进行光合作用需要的 温度较高，晚上维持呼吸作用所需的温度要低一些。另外温室内的气温要 受到太阳辐射强度和室外气温变化的影响，在温室环境自动控制系统的研 制中应该考虑到这种情况。m1 1 2 6 1 作物生长发育适宜的温度，随种类、品种、生育阶段及生理活动的变 化而变化。为了增加光合产物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中， 随着光照强度的变化，实行变温管理是一种很有效的管理方法。 6 6 j 2 湿度 温室内作物对水分的要求体现为对温室内空气湿度和土壤湿度的要 求。空气湿度用相对湿度来表示，因为相对湿度更能反应事实。根据有关 研究记载，除了阴雨天以外，温室内午后过低的空气湿度会导致作物发生 光合作用的午休现象，因此空气相对湿度的大小直接影响到作物的光合作 山东农业大学硕士学位论文 用，这时就需要增加温室内的空气湿度。当温室内的空气湿度较高时，可 能会诱发一些病虫害。温室中空气湿度的管理包括增湿和降湿。 土壤湿度对作物的影响也很大。如果土壤中水分过剩，湿度过高，导 致土壤中的氧气含量减少，作物根部呼吸困难，进而危害作物的生长发育。 相反，当土壤中含水量减少时，作物根部吸收的水分就相应的减少，从而 阻碍作物的生长，严重时作物出现萎蔫现象。不同的作物对湿度的要求不 同，即使是同一种类在不同发育阶段对湿度的要求也不尽相同。 土壤湿度的管理就是把包括渗灌、滴灌、微灌等灌溉技术应用到温室 中来。传统的大水漫灌既浪费水资源，又容易使土壤发生板结，提高了室 内湿度。在温室中应用渗灌技术具有灌水均匀，提高地温，保持土壤疏松， 降低室内湿度，减轻病害发生，生育期提前等优点。 3 光照 光照是植物环境中的重要因素，是植物生产有机质的能量来源，是作 物生长发育的关键条件之一。光照不足，必然影响到植物的生长。对作物 生产的影响主要表现在光照强度、光照时间、光质三个方面。 光质即光波的组成，研究表明作物叶片具有对可见光的高吸收率和对 红外线的低吸收率这一习性，这有利于作物在有效的利用光能进行光合作 用的同时使光合器官免受高温的伤害。【7 】 光照强度直接影响到光合作用的强度。光照强度过高或过低对作物都 有害。当光照强度高于光饱和点时，就需要降低温室内的光照强度。当光 照强度低于光补偿点时，就需要进行人工补光。温室中常用的人工光源有 白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等。【8 j 4 c d 浓度 c d ，是作物进行光合作用的主要原料。有关研究表明，蔬菜作物产量 的9 0 一9 5 来自光合作用。在露天条件下，空气中的c d ，浓度一般能 满足光合作用的需要，但在温室环境中由于光合作用的不断进行，c d ，浓 度随之下降，如不及时补充，尽管光照条件好，水肥充足，作物仍然不能 进行旺盛的光合作用，使营养物质积累减少，难以实现早熟高产。但是， 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 浓度过高，又可能对作物造成危害，出现叶片周边焦边，严重时甚至死亡 等现象。c o ，施肥在国外己经发展到实际应用的水平。人工补充c d 、己成 为发展高产、优质、高效农业的重要措施之一。 温室内c d 、的控制就是掌握好浓度。使作物获得最大生长率的c d ，浓 度，取决于作物的生长阶段、光照强度、温度等因素。为了最大限度的提 高施肥效果，施放c d 时，必须控制在温度、湿度、光照度等条件满足之 后进行【6 8 1 。 综上所述，温室内各环境因子之间存在着强烈的相互作用，作物是在 各环境因子的综合影响下生长的，而不是单个因素作用的结果，各环境因 子对温室作物的作用也不是简单叠加的。因此，单因子控制是不能达到良 好效果的。所以设计智能化温室环境测控系统时须辅以有关的调控技术以 及各环境因子之间的相互耦合系数，控制各参数因子处在相对最佳组合的 水平，这样才能使种植者获得最佳的产量与经济效益【佗】。 2 2 常用控制设备 常用的温室环境调控设备主要有以下几种： 供热系统； 自然通风系统； 强制通风系统； 遮阴保温系统： 人工补光系统； c d ，施肥： 灌溉施肥系统。 各个环境调控系统的特点与功能如下： 1 供热系统 目前温室供热时，多采用热水供热系统和太阳能地下热交换系统。 热水供热系统由锅炉、散热器( 或是散热管道) 、供回水管道、恒温 器等组成。当向大面积的温室群集中供热时，热水在传输中的热量损失是 山东农业大学硕士学位论文 很大的。因此为减少热损失和管道的长度，可将加热锅炉分设于各个温室 中。常用的热水供热系统有低压热水供热系统和中压热水供热系统。下图 是华北型连栋塑料温室所采取分阶段改变流量的调节方式。 弘l 上川 3 lil l 广卜钾 lii 图2 1 供热系统 f i g 2 it h e5 y s t e mo f h e a tp r o v i d i n g 图中1 为锅炉，2 为管道泵，3 为逆止阀，4 为散热片，5 为三向调节 阀。在温室热负荷较大时2 台水泵全部启动，较小时启动其中一台。三向 调节阀可以根据温室内的实际温度调节供水温度，使热负荷的变化与散热 量相匹配，达到节能的目的。【1 4 j 太阳能地下热交换系统由风机、风道、蓄放热管道以及控制装置组成。 白天时室内气温远高于蓄放热管道周围土壤的温度，多余的太阳能热量储 存在蓄放热管道周围的土壤中：夜间时室内气温又远低于蓄放热管道周围 土壤的温度，蓄放热管道周围的土壤所储存的热量又释放出来，补充维持 一定室温所需的热量。l “”j 2 自然通风系统 自然通风系统由天窗、侧窗及其控制装置组成。自然通风分为热压通 风和风压通风，前者是由于温室内外空气存在着温度差而产生的烟囱效应 进行通风换气的。后者则是利用风吹向建筑物时，迎风面形成正压，背风 面形成负压，形成的风压作用进行通风换气的。自然通风系统主要用于春 季、秋季等气温不很高的季节进行通风换气和降温。 3 强制通风系统 强制通风系统一般是由风机与湿帘组成。主要用于夏季，室外温度高 于室内时，自然通风系统不能起到降温作用时进行降温，同时由于湿帘的 作用可以调节温室内的湿度。湿帘降温系统具有不易产生病虫害，降温效 果好，成本低等优点。 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 4 遮阴保温系统 遮阴保温系统由遮阴设备和保温设备组成。 遮阴设备由遮阳网、传动机构与动力机构组成。夏季晴天可根据作物 的光照需求张开遮阳网进行遮阴与降温。 温室保温设备包括双层保温充气膜、p v c 板、保温被。双层保温充 气膜，两层膜间有一层空气，可以大大的减少晚问温室通过顶棚散失的热 量。双层中空p v c 板，由于有两层空气隔热，具有隔热性好且透光率高 的优点。保温被在冬季可有效减少温室热量的散失。f 1 7 i 5 人工补光系统 温室内常用的人工光源有白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠 灯、金属卤化物灯等，用于温室内光照强度低于光补偿点时进行人工补光， 增强温室内的光照强度以满足作物生长的需要。江苏大学对锗灯( 生物效 能灯) 、高压钠灯、金属卤灯的对比实验表明锗灯的光谱能量接近日光、 光通量较高、其效果最好。1 1 6 j 6 c d 、施肥 目前c d ，施肥已经成为温室生产中增产增收的重要手段，采用有机肥 发酵、燃烧、液态或固态c d l 挥发、化学反应等方法适时的提高温室内c d 。 浓度能大大提高作物净光合作用速率，提高产品产量和品质，提高温室的 生产效益。 7 灌溉旅肥系统 温室是一个相对封闭的生产环境，温室内作物需要的水分完全依靠人 工灌溉来保证。现代化温室中，采用微滴灌方式，可大幅度的节约用水。 施肥是随着微喷灌同时进行的，这样可以迅速、大面积地完成，并且施肥 均匀、省力、省时、安全、避免浪费。 利用微滴灌系统按照作物需水要求，通过管道与安装在末级管道上特 制水头将水和作物生长所需要的养分以较小的流量，均匀、准确的输送到 根部和叶片，实现局部变量灌溉，使叶面和根部保持在水、肥、气的最佳 状态。按水流流出方式的不同，主要有喷灌、滴灌和渗灌等微灌方式。【1 7 】 2 山东农业大学硕士学位论文 2 3 温室环境控制方案 温室环境控制中常用的控制方案有以下几种： i 、单因予控制； 2 、多因子控制； 3 、综合控制； 4 、最优控制。 根据现有的条件，本系统采用多因子控制方式。 多因子环境控制是根据温室各个环境因子之间的相互作用关系，对各 环境因子进行协调与控制，使其处于相对的最佳组合，以满足作物生长的 需要。f 8 5 8 6 2 】 多因子控制主要有以光照量为基准的变温控制和以积温为基准的变 温控制两种方式： ( 1 ) 以光照量为基准的变温控制 根据光照量的变化将天分成几个时间段。在每个时间段内，以光照 强度为基准确定不同的温控要求，从而实现温室的变温控制。 ( 2 ) 以积温为基准的变温控制 其特点是强调作物整个生长过程的累积温度和日平均气温，而不是具 体某一天的温度和昼夜温差。这样可以充分利用太阳能，提高白天温度， 适当降低夜间温度，但保持一天中平均温度不变：或在加温不经济的情况 下降低设定温度，而在其它时间内补充积温。 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 3 控制系统的总体设计 3 1 控制系统的设计要求 本控制系统的具体设计要求如下： ( 1 ) 能够实时采集并显示温室内外的各个环境参数。 能够实时采集与显示室内外气温、土壤温度、室内相对湿度、室内外 光照强度、c d ，浓度、土壤水分等参数：并可以同时显示参数采集时的时 间与日期。主要参数的检测范围与检测精度如表3 1 所示。 表3 1 主要环境参数 t a b3 - lt h em a 妯e n v j f o n m e n td a r 锄e t e r s ( 2 ) 存储一定时间的温室环境参数值。 由于下位机对温室环境的检测是一个连续不断的过程，下位机数据存 储器的容量需足够大，能够存储数天的数据。需要保存一组由室内、外环 境参数及其本组数据采集时间组成的一条测控记录。 本控制系统保存一条测控记录需要3 0 个字节的存储单元。3 2 k 外部 数据存储器中的0 3 0 0 h 7 f f f h 为测试数据存储区，共计3 2 0 0 0 个字节， 最多可以存储1 0 6 6 条记录。如果每隔l o 分钟存储一条记录，则一天需要 存储1 4 4 条记录。扩展3 2 k 数据存储器可以存储7 天的数据。完全可以 满足本控制系统的需要。 ( 3 ) 能够根据季节、地区和作物的不同，设置不同的控制参数。 操作人员可以根据不同的季节、地区和作物，来设置不同的环境控制 参数，以满足不同的需要达到最佳效益。 1 4 山东农业大学硕士学位论文 ( 4 ) 自动调节温室内的环境参数。 当强电柜的转换开关都放在“自动”档位时，控制系统能够完全自动 的控制温室内的所有环境调节机构，将温室内的环境参数调节到操作人员 设定的参数值附近。 ( 5 ) 声、光报警的功能。 当对保温被、遮阳网、通风窗以及灌溉系统等执行机构的控制失效时， 以及某一环境参数超过操作人员设定的界限时，控制系统能够发出声、光 报警信号，提醒操作人员及时采取相应的措施。各环境参数所允许的范围 由操作人员在参数表中设定。 ( 6 ) 与上位机进行通讯。 本系统可以实现下位机与上位机进行通讯，这可以方便的实现温室的 远距离控制，尤其是温室群的远距离控制。上位机能以友好的界面显示温 室的当前状态，并能以曲线的形式显示温室各环境参数在过去一段时间内 的变化过程和变化趋势，这极大的方便了管理人员的操作和科研人员的数 据分析。 ( 7 ) 友好的操作界面。 通过上位机的操作界面，一般人员可以方便的查看温室的环境状态， 但是只有专业人员可以通过密码，设置更改与本系统运行有关的各个环境 参数。 3 2 控制系统的总体设计 本控制系统是由上位机和下位机组成的智能化温室群环境控制系统。 上位机为一台p c 机，下位机为多台m c s 一5 l 系列的单片机，实现对数目 不超过5 栋的温室群进行环境控制。 下位机实现的功能是对各栋温室环境参数的检测与控制，把各种传感 器采集的诸如温度、湿度、c d l 浓度、光照强度等环境参数转换成数字信 号，把这些数据暂时储存起来并与相应的给定值进行比较，经过控制计算， 发出相应的控制信号控制保温被、通风窗、遮阳网、喷滴灌等执行设备的 动作，实现对温室环境的调控以满足温室内作物生长发育的要求。 上位机通过串行通讯接口分别读取各个温室的数据，并完成数据的统 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 计分析、显示、编辑、存储以及打印输出等操作。 本控制系统的原理框图如图3 1 所示。 室 外 气 温 室 内 土 壤 水 分 室 外 光 照 强 度 上位机软件 通讯接口 智能化温窒环境测控仪( f 位机) 自动测试系统li 自动控制系统l1 人机对话接口 室 内 相 对 湿 度 室 内 地 温 室 内 气 温 氧 化 碳 浓 度 室 内 光 照 强 度 保 温 被 通 风 窗 造 | f 几 网 灌 溉 系 统 显 一 不 系 统 键 盘 输 入 报 警 信 号 按 钮 控 制 图3 一l 智能化温室环境测控系统腺理髑 f i g3 一1w o r kp n n c i p i eo f t h ei n t e l l i g e n tr r 】e 越u r ea n dc o n n 0 1 s y 吐e mo f 肝e e n h o u 5 ee n v i r o i ! m e n t 系统采用以光照量为基准的变温控制方式，更加符合作物的生长实 际。控制执行设备的状态来调节室内的环境使其有利于作物的生长。为防 止各种执行设备的控制失效，在采用自动控制方式的同时，采用手动控制 方式，操作人员可以在系统声、光报警后手动控制执行设备的动作，提高 了系统运行的可靠性。 山东农业大学硕士学位论文 4 系统的硬件设计 4 1 硬件系统的组成 控制系统是由硬件和软件两大部分组成的。本控制系统的硬件组成如 图4 1 所示。 由 苴 一絮譬慕 行 通 片 讯 口 机 叫多路d a 转换h 面i h 执行机构 主 l 键盘卜-叫开关量输入f 控 板 制 i 显示器卜卡叫开关量输出i - 对 象 图4 1 系统硬件结构图 f 唔4 一lt h e 打硼eo f l i ss y s l e m sh a r d w a r e 传感器是把各种非电量被测参数转变为与之有确定关系的电量信号 的电子元件。大多数情况下，从传感器中传出的电信号是不能直接送入中 央处理器中的，经常要经过必要的后续电处理，才能使其在形式、幅度、 信噪比、转换灵敏度和精度等方面达到中央处理器的要求。 变送器就是把传感器传出的电信号转变为标准电信号的信号处理电 路。常用的信号处理电路有模拟信号放大、调制解调、信号分离、线性化 和量程转化、调零与定标电路等。多数情况下，测控系统的信号处理电路 较为简单。盼3 84 叫在本系统中变送器由运算放大电路、采样保持电路组 成，完成系统对模拟信号的处理。 本测控系统要完成多路模拟信号的数据采集、a d 转换，为了实现共 用a d 转换器和信号的分时输入，采用了多路选择开关。多路选择开关 在相应控制信号的作用下，选择开通多路输入的某一路，从而实现多路信 号的分时输入。m ”1 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 由于计算机只能处理数字信号，因此如果传感器中输出的是模拟信 号，则需要将其转变为数字量才能送入计算机中。a d 转换器就是为满足 这一要求而设计的。 单片机对各传感器采集的数据进行运算处理后，发出指令控制执行机 构作出相应的动作。单片机总是以数字量的形式通过i o 口或数据总线输 出控制信号。这些数字信号的形态主要有开关量、二进制数字量、频率量。 对于需要由模拟量控制的执行机构，则需要通过d ，a 转换电路转换成模 拟电量的控制信号。【5 7 2 0 j 单片机输出的控制信号功率很小，不足以直接控制执行机构，所以需 要进行功率放大驱动。 如果驱动控制对象的功率负荷很大，则产生的电磁干扰非常严重，此 时考虑进行通道隔离，最常用的隔离方法是采用光电隔离。 键盘和显示器是控制系统的基本外部设备，是人机对话的联系纽带。 通过键盘可以发出各种操作指令，设置环境参数。显示器则可以显示温室 当前的环境参数和工作状态，也可以显示要查看的历史数据。 3 3 2 7 】 串行通讯接口则是与个人计算机进行数据传输的通道。在异步串行通 讯中应用最广的标准总线是r s - 2 3 2 c 。【2 4 6 9 】由于r s 一2 3 2 c 标准规定+ 3 v + 1 5 v 之间的任意电平为逻辑o 电平，一3 v 一1 5 v 之间的任意电平为逻辑1 电平，这与接口电路和计算机接口芯片的电平是不同的。所以在通讯时， 必须进行电平转换，以便与r s 2 3 2 c 标准的电平相匹配。 4 2 传感器的确定 传感器是测控系统的第一个环节，起着获取检测信息与转换信息的重 要作用，其性能直接影响到整个系统的性能。传感器是一种测量装置，它 能感受或响应规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出，以满足 信息的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。m 23 。4 2 l 4 2 1 传感器概述 传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础，它 们分别完成系统对信息的采集、传输和处理。就像人类需要通过五种感觉 器官( 视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉) 感受外界刺激并做出相应的反应一 山东农业大学硕士学位论文 样，各种的传感器就是控制系统的“感觉器官”。【1 4 1 8 】 传统的传感器，是将敏感元件采集来的模拟信号，经过运算放大，经 过a d 转换，转变成能够被计算机或单片机应用的数字信号。由于模拟 信号在传输过程中容易受到外界环境的干扰，产生零点漂移和信号失真。 依靠传统的传感器技术不能再有效的提高传感器的精度与稳定性。然而将 传感器与微处理器或微计算机相结合，通过软件控制实现智能化，能够使 传感器的精度和稳定性得到极大的提高。m 5 7 】 随着测控系统对自动化、智能化要求的提高，要求传感器具有准确性 高、可靠性高、稳定性好的特点，而且具备一定的数据初步处理的能力， 并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器己不能满足这样的要求。计算 机技术使传感器技术发生了巨大的变革，微处理器( 或微计算机) 和传感器 相结合，产生功能强大的智能传感器1 2 。关于智能传感器，至今还没有公 认的正式的定义，一般笼统的认为传感器与微处理器相结合所形成的不仅 具有信号检测输出功能，而且具有信号处理功能的传感器系统就认为是智 能传感器【2 0 】。随着计算机技术的迅速普及，传感器技术呈现出多样化、新 型化、集成化、智能化的发展趋势。 4 2 2 传感器的组成原理 传感器按其结构参量是否变化可以分为结构性传感器和物性型传感 器。结构性传感器是由敏感元件将各种被测信号转变为中间变量，由变换 器将敏感元件输出的中间变量转换成电参量的变化作为输出量。物性型传 感器则依赖于物理属性的改变直接将输入信号转变为输出信号。与结构型 对应而言，它没有中间转换机构只有变换器。【6 “”】 图4 2 结构型传感器原理图 f 培4 2t h ew o r kp n c i p l eo f s t c t u r cs e n s o r s 智能化温室测控系统及其串行通讯的研究 传统结构型传感器是由敏感元件、中间转换机构、转换电路组成的。 其中敏感元件直接感受被测量，并以确定的关系转化为某一物理量。转换 元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电参量。转换电路再将电路参数 ( l ，c ，r ) 转换成电量( u ，i ) 。 4 2 3 温度传感器 温度控制是温室环境控制的核心，大部分执行设备，如通风窗、遮阳 网、湿帘等都与温度控制直接相关，在单因子环境控制中尤为突出。 温室内温度测量范围在o 5 0 ，室外温度测量范围一般不超过一3 0 5 0 。在上述范围内热电阻、热敏电阻、热电偶都有较好稳定性和 测量精度，在温室环境控制中都有所采用。m2 3 删1 l 、热电阻传感器 导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化，通过测量其电阻值则 可以计算出被测物体的温度，这就是热电阻传感器的工作原理。热电阻传 感器的测量范围一般是一2 0 0 + 5 0 0 。 铂和铜是热电阻传感器中应用最广泛的两种材料。它们易于提纯，稳 定性好，电阻温度系数高，在温室环境测控中具有广泛的应用。 铂的电阻值在o t + 6 0 0 时与温度之间的关系为： r 。= r o ( 1 + a t + b t 2 ) 式中，r ，r 。分别为温度是o 和温度是t 时铂电阻的电阻值； a ，b ，c 为常数，可