（光学工程专业论文）基于avr单片机温室气雾培控制系统的设计与实现.pdf

基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计与实现 学位论文完成日兑h ：! ! ! ：墨 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 丝蝉 墨虫窒垒 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特另i j d h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 洼! 塑遗 直墓丝盂要挂型直塑的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名： 孑臻铴 l 签字日期：l , , o l 口年f 月1 ，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：哇白 导师签字： ： i 彳务切乙 l 签字日期：枷l 口年罗月、，e l 签字日期：加年歹月x ；l - e 1 皋于a v r 甲片机温室气雾培摔制系统的设计与实现 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计与实现 摘要 气雾培技术是一种让植物的根系离开了土壤与水，把植物的根系完全置于气雾环境 下进行生长发育的一种新型栽培模式，它通过雾化的营养液满足植物根系对水肥的需求， 并具有充足的氧气与足够的伸展空间，使根系在毫无阻力的情况下生长。相较于传统的 蔬菜栽培和基于基质的无土栽培，气雾培具有生长快、病害发生率低、节水节肥等特点， 将成为未来农业生产中的一种重要栽培方式，也是农业产业化的一个重要方向。 完整的气雾培技术体系由农作物生长环境控制、密闭喷灌、营养液循环几个部分组 成，其中关键技术是农作物生长环境控制，通过分布式节点采集各种数据来调节温室内 的温度、湿度、光照和苗床内的温度、湿度，人为的模仿出植物生长的最佳环境，以适 应不同植物生长繁育的需要。 本文设计了一套基于高性能8 位a v r 微控制器的气雾培控制系统，本系统主要由数据 采集、数据通信、数据处理分析以及电机控制等部分组成。分布式节点采集苗床内和温 室内各种与植物生长相关的数据，通过r s 4 8 5 总线将数据传输给下位机。下位机综合处 理数据，判断出植物生长的当前环境，以此为依据实施农作物生长环境的调控。此外， 下位机还要对相关设备进行集中管理，具有通信控制功能。在发生突发事件的情况下， 下位机还有一套备用方案。上位机通过无线方式定期查询下位机数据，记录植物生长情 况。 系统具有人机接口良好、稳定性好、通用性高等特点。下位机是控制系统的核心， 全部处理和判断功能由下位机完成。它通过r s 4 8 5 总线获取节点采集的数据，根据这些 数据决定弥雾时间的长短、通风口、井水泵等设备的启动与停止。分布式节点负责大面 积温室内数据采集。上位机提供良好的人机接口，实时显示温室及苗床内的各项数据。 本文首先论述了气雾培的原理及其控制系统的研究背景。在此基础上，结合用户的 实际需求，提出了系统的软、硬件实现方案，重点介绍了控制系统的硬件构成以及实现 气雾培的相关设备，下位机及节点的程序设计，以及它们之间数据交换和系统控制方式。 分析了调试过程中遇到的具体问题，并提出了解决方法。 关键词：气雾培；温湿度测量与控制；r s 4 8 5 总线；a v r 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计j 实现 i i 基于a v r 单 机温室气雾培控制系统的设计j 实现 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f a v rm c u b a s e d a e r o p o n i c sc o n t r o ls y s t e m ab s t r a c t i n s t e a do fp l a n t i n gc r o p sd i r e c t l yi n t ot h es o i lo rm e d i ao rg r o w i n gt h e mi nan u t r i e n tr i c hl i q u i d s o l u t i o n ，a e r o p o n i c sr e l i e su p o na p p l y i n gaf i n em i s to fn u t r i e n t sa n dw a t e rd i r e c t l yo n t ot h er o o t s t h e m s e l v e s a e r o p o n i c ss t a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to fw a t e ra n df e r t i l i z e ro ft h ep l a n t t h ep l a n ti st y p i c a l l y s u s p e n d e do rs u p p o r t e di ns o m em a n n e ra n dt h er o o t sa l l o w e dt og r o wf r e e l yi nt h ea i ri n s i d eac l o s e d c h a m b e rw i t h o u tc o n t a c tw i t ha n ys u b s t r a t e an u m b e ro fb e n e f i t sa r ed e r i v e df r o mu s i n gt h i sp r o d u c t i o n m e t h o da n di n c l u d e ：i ) q u i c k e rp r o d u c t i o nc y c l e sa r ep o s s i b l ed u et oi n c r e a s e dg r o w t hr a t e s ，2 ) n os o i l r e s u l t si nr e d u c e ds o i l b o r n ed i s e a s e s ，t h ef o l i a g er e m a i n sd r y ，a g a i nr e d u c i n gd i s e a s ep o t e n t i a l ，3 ) w a t e ra n d n u t r i e n tr u n o f fi sr e d u c e dd u et or e c y c li n g a e r o p o n i c si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h e p r o d u c t i o no fa g r i c u l t u r e t h ea e r o p o n i c ss y s t e mi sc o n s t r u c t e db ye n v i r o n m e n tc o n t r o le q u i p m e n t ，i r r i g a t i o ni nt h ec l o s e d c h a m b e ra n dr e c y c l i n go f n u t r i e n t e n v i r o n m e n tc o n t r o li st h ek e yt e c h n o l o g yo f t h i ss y s t e m c o n t r o l s y s t e mg e td a t ef r o ms e p a r a t en o d e st or e g u l a t et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n dl i g h ti n t e n s i t yo ft h e g r e e n h o u s e ，t h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fi n n e rc h a m b e r i ti m i m t et h eb e s te n v i r o n m e n to fp l a n t g r o w i n g ，t om e e td i f f e r e n tr e q u i r e m e n to fp l a n tg r o w t ha n dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rd e s i g n saa e r o p o n i c sc o n t r o ls y s t e mb a s e do nh i g h p e r f o r m a n c ea v rm c u t h i ss y s t e mi s c o m p o s e do fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t at r a n s m i n s s i o n ，d a t ap r o c e s sa n dm o t o rc o n t r 0 1 s e p e r a t en o d e sa c q u i r et h e d a t aw h i c hi si n t e r r e l a t e dt op l a n tg r o w i n gf r o mc h a m b e ra n dg r e e n h o u s ea n dt r a n s m i tt h i sd a t at ot h e l o w e rc o m p u t e rt h r o u g hr s 4 8 5b u s l o w e rc o m p u t e rp r o c e s s e st h i sd a t ac o m p r e h e n s i v e l y , e s t i m a t e sc u r r e n t c o n d i t i o no f p l a n tg r o w i n g ，a n dr e g u l a t ep l a n tg r o w i n gc o n d i t i o nb a s e do nt h i sd a t a b e s i d e s ，l o w e r c o m p u t e rt a k e so nt h ef u n c t i o no f c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n to f r e l a t e de q u i p m e n ta n dd a t ac o m m u n i c a t i o n c o n t r 0 1 i nt h ec o n d i t i o no fe m e r g e n c ya f f a i r sh a p p e n i n g ，l o w e rc o m p u t e rh a sa n o t h e ra l t e r n a t e s c h e m e h o s tc o m p u t e ra c q u i r ed a t af r o ml o w e rc o m p u t e ri nw i r e l e s sm o d e ，r e c o r dp l a n tg r o w i n gp r o c e s s t h ep r o p e r t yo ft h i ss y s t e ma r e1 ) g o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，2 ) h i g hs t a b i l i t y , 3 ) a n df i n eu n i v e r s a l p r o p e r t y l o w e rc o m p u t e ri se m p h a s i so ft h i ss y s t e m ，a l lt h ed a t ap r o c e s s i n ga n dc o n d i t i o ne s t i m a t i n gi s f i n i s h e db yt h el o w e rc o m p u t e r i tg e t sd a t aw h i c hw a sa c q u i r e db yt h en o d e st h r o u g hr s 4 8 5 b u s ，d e c i d e s h o wl o n ga u t o m a t i cf o g g i n gc o n t i n u e sa n do t h e re q u i p m e n ts t a r t - u p s h u t d o w n h o s tc o m p u t e rd i s p l a ya l l i i i 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设汁与实现 t h ed a t ao fc h a m b e ra n dg r e e n h o u s ei nr e a lt i m ew i t hg o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h eb a s i cp r i n c i p l e so fa e r o p o n i c sa n dd e v e l o p m e n tc o u r s eo fa e r o p o n i c sc o n t r o ls y s t e ma r ef i r s t l y i n t r o d u c e d t h e nam o r ed e t a i ls p e c i f i c a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sb r o u g h tf o r w a r d i ts t r e s s e so nt h e s y s t e m sc o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r ea n de q u i p m e n t ，h o s tc o m p u t e rs o f t w a r e ，d a t at r a n s m i s s i o na n dt h e w a y i ta n a l y s e ss o m ek e yi s s u e sw h i c hw a st u r n e do u tt h r o u g hp r a c t i c a ld e b u g ，p r o v i d e ss o l v i n gs c h e m a s f o rt h e s ei s s u e s k e yw o r d s ：a e r o p o n i c s ；m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r e ；r s 4 8 5b u s ，a v r i v 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计j 实现 o 绪论1 o 1 课题背景1 o 2 研究现状1 o 3 本文的研究内容3 1 相关理论基础5 1 1 气雾培技术简介5 1 1 1 气雾培技术的优势5 1 1 2 现有的几种气雾培系统控制方法6 1 1 3 气雾培控制系统对于设备的特殊要求8 1 2 相对湿度一8 1 3 露点9 2 硬件设计：1 1 2 1 系统架构1 2 2 1 1 设备介绍1 2 2 1 2 组网方案1 3 2 1 3 控制方式1 6 2 2 系统电路设计1 7 2 2 1 控制芯片简介1 7 2 2 2 下位机硬件设计18 2 2 4 普通节点硬件设计2 1 2 2 5 水表w 点的硬件设计2 2 2 3 温湿度传感器2 4 2 3 1 气雾培控制系统对于温湿度的特殊要求2 4 2 3 2 常用湿度传感器的原理2 4 2 3 3s h t l1 简介及其特殊性能2 5 2 3 4s h t ll 在气雾培控制系统中的具体应用2 6 2 4 通讯接口2 8 2 4 1 下位机与节点的通讯一2 8 2 4 1 1r s 4 8 5 电气特性2 8 2 4 1 2 接口芯片s p 4 8 5 简介2 9 2 4 2 上位机与卜位机的通讯3 0 v 基于a v r 单i 机温室气雾培控制系统的设计j 实现 3 软件设计3 1 1 3 1 下位机软件设计3l l 3 1 1 初始化及主循环模块3l 3 1 2 通讯模块3 2 3 1 3 环境调控模块3 7 3 1 4 错误处理3 7 3 2 节点软件设计3 7 3 3 双循环的串口缓冲区程序设计。3 8 3 4 喷雾排队。3 9 3 5 中断处理4 l 4 结束语4 3 4 1 分析与总结4 3 4 2 存在不足与改进4 3 参考文献4 4 致谢4 6 个人简历4 7 硕士期间完成论文4 7 v l 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设汁l j 实现 0 绪论 o 1 课题背景 气雾培是把植物的根系完全置于气雾环境下进行生长发育的种模式，它利用喷 雾装置将营养液雾化为小颗粒状，直接喷射到植物根系以提供植物生长所需的水分和 养分，并使根系具有最充足的氧气与最自由的伸展空间，使其在毫无阻力的情况下生 长。气雾栽培较易实现立体化垂直栽培，提高温室单位面积利用效率。由于采取闭环 循环式的供液方式，气雾培的节水效率可达9 0 。但是不同的植物或者同一种植物不 同的生长阶段根系对水份有着不同的需求，如何实现弥雾时间以及植物生长环境温度 的精确控制，满足植物生长需求，成为气雾培技术推向产业化的关键因素。 o 2 研究现状 1 9 4 2 年，美国的w c a r t e r 为了观察植物的根系最早进行了将植物根系置于空气 中生长的实验研究。 1 9 4 4 年，l j k l o t z 在研究桔类植物根系疾病的过程中，首先发现将植物根系置于 水蒸汽中能使植物长期存活。 最早的气雾培系统是由美国g t i 公司于1 9 8 3 年推出的g e n e s i sm a c h i n e 。如图o 一1 所示，它是最早采用封闭环境内循环水提供植物生长水分的装置，气雾培苗床内的水 雾是由高压喷头喷射出的。整个系统和外部的连接只有电源插座和供水的水管。 图0 1 美国g t i 公司的g e n e s i sm a c h i n e 1 9 9 6 年，美国航空航天局为了研究植物在太空中的生长特性，专门研制了一种气 雾培系统。如图0 2 所示，本系统采用单片机作为控制中心，通过光学传感器检测苗 床内的湿度，苗床内的水蒸汽由营养液经过超声波雾化得到，根掘不卅植物对水分的 不同需求，该系统还可以调整苗床内的弥雾时间。 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计与实现 图0 2n a s a 研制的气雾培系统 图0 - 3n a s a 改进后的气雾培系统 1 9 9 9 年，美国航空航天局改进了这一套系统，改进后的气雾培系统质量更轻，植 物栽培立体化以节省空间，使其更适用于在太空中使用，如图o 3 所示。 为了解决气雾培系统苗床内湿度不易测量，无法精确控制植物生长过程中根系周 围相对湿度的问题，美国的a g r i h o u s e 公司于2 0 0 3 年推出一种叶片传感器，如图o 4 所示。这种传感器通过检测植物叶片内的水分可以判断出是否需要弥雾，为实现气雾 培系统的精确控制提供了一种途径。 图0 4a r g i h o u s e 公司研制的叶片传感器 图0 - 5 简易式气雾培系统 近几年，欧美流行起一种适用于家居的便携式气雾培系统，如图o 5 所示，水雾 由高压喷头产生，喷水时间由数字定时器控制。 国内气雾培技术起步较晚，控制方式采主要采用定时喷水的方式，这种方法依赖 于操作人员的客观经验，无法针对不同时期不同植物的生长进行精确控制。图0 - 6 所 示是浙江丽水农业研究所建立的气雾培实验系统。 2 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计与实现 图0 - 6 浙江丽水农业研究所建立的气雾培实验系统 0 3 本文的研究内容 本文研究的主要内容包括： 1 )苗床内温湿度的采集：针对苗床内相对湿度大、露点低的特点，采用一种 巧妙的机械结构，对苗床内的湿度采取间歇式查询方法，获得较为可靠的 结果。 2 )数据的传输：节点采集到的数据通过r s 4 8 5 总线传输给下位机，下位机处 理后再将获得的数据通过无线方式传输给上位机，本文设计了这两种通讯 电路设定了通讯格式以及编制通讯软件。 3 )系统硬件方案的设计和构建：包括外围设备的选择、通讯网络的组成以及 下位机、节点的硬件设计。 4 )系统软件设计与实验研究：编制适合气雾培系统的控制软件，采用排队喷 水和双循环的串口缓冲区以及错误处理等软件模块，保证系统能够高效、 稳定运行，经过实际测试，检验系统可靠性。 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设汁j 实现 4 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的没计与实现 1 相关理论基础 1 1 气雾培技术简介 气雾培也叫气雾耕，它是让植物的根系离开了基质与水，植物的根系被完全置于气 雾环境下进行生长发育的一种新型栽培模式，它通过雾化的营养液满足植物根系对水和 矿物质的需求，使其根系具有充足的氧气与自由伸展的空间，可以在毫无阻力的情况下 生长n3 ，如图1 1 所示。与其他耕作方法相比气雾培技术具有使农作物生长快、节水节肥、 不污染环境等优点，是未来农业产业化一个重要方向。随着人们对无公害蔬菜需求的日 益增加，以及与气雾培相关的各种设施的出现，为气雾培的生产研究提供了一条崭新的 道路，也为农业生产实现高产优质探索出一种新型的栽培方式。 图1 - 1 气雾培系统模型 1 1 1 气雾培技术的优势 气雾培技术在蔬菜栽培领域可以说是最先进的技术，特别是应用在温室内的气雾 培具有更低的电能消耗，一年四季都可以供应新鲜蔬菜，气雾培技术相较于其他栽培 模式的优势如下： 1 ) 气雾培采取立体的栽培模式，增加单位面积内植物的种植数量。大规模的气雾培 蔬菜种植一般采取立桶式或者会字塔式的苗床结构，充分利用空间，使温室利用 率提高数倍。 2 ) 营养液在苗床中进行封闭式的内循环，最大限度的降低水肥的消耗，实验结果表 明气雾培的节水效率可以达到9 0 ，如在温室内采用土壤栽培番茄，每生产一公 斤番茄需要2 0 0 公斤水，即使采用纯水培的方式也需消耗1 7 0 公斤左右的水，而 采用气雾栽培的方式则只需6 一l o 公斤的水，使得气雾培技术特别适合于应用在沙 漠、孤岛等自然环境恶劣的地区旧1 。 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计1 j 实现 3 ) 气雾栽培具有减少栽培植物及叶菜类内部硝酸盐含量，特别是莴苣、苦苣、菠菜、 等，常因硝酸盐超标而影响食用安全性，硝酸盐过度积累是造成人体癌症多发的 主要因素，而气雾培生产的叶菜可以使硝酸盐降低到安全范围，这是传统有机栽 培与近代的化肥栽培及纯水培都难以实现的。 4 ) 在温室内采用气雾培耕作方式，可以将病虫害的发生几率降低7 5 口3 ，如果采用 工厂化闭锁型的生产方式，并且用严密的防虫网隔绝，可以做到无虫化的免农药 生产，提高蔬菜类食品安全h 。 5 ) 在气雾培环境下，根系净重及根冠比明显增大，生物转换效率、生物量比土壤栽培和 纯水培大大提高，能使含量低营养少的残液发挥出最大的栽培效果，使废液能够循 环利用，实现废物、废料、废液的零外排心，。 6 ) 气雾培的根系伸展自由、氧气摄取直接方便而充足、水份吸收快速便捷而均匀，矿 质营养实现全价搭配弥雾供给，为植物的根系环境创造了最利于吸收与代谢生长的 环境空间，农作物生长速度快，气雾培技术也是植物快繁的主要发展方向。 1 - 1 2 现有的几种气雾培系统控制方法5 m 1 在气雾培规模化生产过程中，营养液搭配、环境数据采集以及各种调控环境的动作 都是由微机控制系统完成的。气雾培控制系统由三个部分组成：传感器、控制中心、执 行动作的部件，由传感器采集苗床及温室内的各种环境参数，通过适宜的通讯方法传送 给控制中心，控制中心根据传回的数据对当前生长环境作出正确的判断，再操纵执行动 作的部件调控植物生长环境。现有的气雾培控制系统主要有如下三种： 1 ) 早期的气雾培控制系统通过在苗床内加装一对光学的发射和接收器件，接收器能够 检测到光线，说明苗床内缺水，开始弥雾，不能检测到光线，说明苗床内水分充足， 停止弥雾。如图1 2 所示。这种方法适合于与超声波弥雾装置配合使用，因为超声波 产生的雾颗粒较小，直径在1 1 0 u m 左右，采用这种控制方法，苗床内的相对湿度总 是维持在9 5 以上，只适用于对水分需求特别大的植物h 2 j 。 2 ) 控制系统在程序中设定苗床温度相关的时间模块控制技术，即以苗床外的温湿度作 为输入变量，对苗床内的湿度进行模糊控制。外界温度变高，弥雾频率升高，弥雾 间歇缩短。外界温度降低，弥雾频率下降，弥雾间歇拉长，并且可以根据不同的植 物或植物不同的生长阶段人为调整弥雾和间歇时间。这种方法调控的依据是苗床外 的温度，虽然也较为科学但是很不精确。 6 皋于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计与实现 ( a ) 图l 一2 依靠光学传感器进行苗床内湿度检测 3 ) 以茎胀速与昼夜变量为参数进行调控的方法。采用微米级的微位移传感器夹置于植 株的茎干或叶片上，利用水份变化胀落对茎干直径产生影响的机理来运算确定弥雾 时间的控制方法。当植株失水时会使干茎甚至是叶片的厚薄发生微小的变化，再以 变化的幅度作为参照确定是否需要弥雾和弥雾的时间。美国的a g r i h o u s e 公司依据 这个原理研制出专用于气雾培的叶片传感器，它的技术关键在于不同植物生长模式 或专家系统的科学建立，在于计算机的精确传感与控制。这种技术能够较为科学的 控制供雾，同时也存在两个缺点：第一，叶片传感器的价格过高，a g r i h o u s e 公司 的叶片传感器单价为1 7 0 美元，限制了这种技术的推广；第二，根系缺水一定时间 以后才会在叶片或者茎干上有所反映，时间的滞后影响了控制的精确度。 另外，还可以向植物根域环境供气以加快植物的生长速度。叶片是吸收二氧化碳进 行光合作用的重要器官，这已是众所周知的常识，但其实植物的根系也具有强大的吸收 与转化二氧化碳的能力，这对于加快生长速度及提高产量来说也是一项较为重要的辅助 技术，特别是在气雾培模式中具有比其它任何一种栽培模式更易实施的优点，可以向植 物根系环境直接施放二氧化碳与氧气，也可以把氧气及二氧化碳采用气液混合技术溶入 营养液中，通过弥雾一起供给h 3 1 。 以上控制方案，都是选择一些和植物生长间接相关的参量作为调控环境的依据， 这些方法或者有滞后效应，或者很不准确。本文介绍的气雾培控制系统选取与植物生 长直接相关的参量一苗床内湿度作为调控依据，实现了对于植物生长过程精确控制。 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计与实现 1 1 3 气雾培控制系统对于设备的特殊要求 为满足植物生长的需求，苗床内的相对湿度普遍维持在8 0 一1 0 0 ，并且伴随着 很严重的结露现象。这种环境超出了许多湿度传感器的量程，而且如果结露形成的水滴 滴在湿度传感器表面，会使传感器短时期内失去功效，即使传感器表面的水分自然蒸发 以后，也需要很长一段时间进行校准。可见，采用相对湿度作为气雾培控制系统的调控 依据虽然直接、准确但却是较难实现。 1 2 相对湿度口1 湿度是用来表征空气中水分子含量的多少，它有多种表示方法，例如，绝对湿度、 相对湿度、露点。 考虑一个装有少量水的密闭容器，如图1 3 所示。液态水中的水分子平均动能和 气体内部压力都是由温度决定，有的水分子动能高于平均值并且可以逃逸到密闭空气 中，而有的水分子由于相互之间的碰撞或者是由于和容器壁的碰撞，会被液态水捕获 到。一段时间以后，逃逸的水分子和重新捕获的水分子会达到一个动态平衡。 窘 氅 8 器 a 童 霎 ：殳 吕 t 工 1 5 0 ： 埔 2 厶 苦1 0 0 a 零 c 藿5 0 ， 借 一? 。l ， ； 一i 1 ， 一j 1 7j ? ， 一j ? ， 一 。 。 ：。 2 0o2 04 06 0 t e m p e r a t u r e 。c i 图1 - 3 密闭弈器内的水分子模型图1 4 温度与饱和悉汽压的天系 在动态平衡的条件下，空气中的水分子撞击容器壁形成的压力称为饱和蒸汽压e ， 由克拉佩龙方程可知 一d e ：上 ( 1 1 ) d tt a v 、。 式中。表示密闭容器内发生相变是焓的变化值，y 为相应的体积变化值。假定 容器中液体的体积远小于气体的体积，并且容器中的气体处于理想状态( p v = n r t ) ， 式( 1 1 ) 就可以近似为克劳休斯一克拉佩龙方程 基于a v r 单片机温室气雾培拧制系统的设计与实现 生：黑 (12)dtrt 一= 一 ii i v 2 、7 式中f i , 。气态水分子在理想气体状态方程中的比例系数。对微分方程( 1 2 ) 进行求解 即可得到马格纳斯公式 e t ) = a e x p ( 等) 3 ， 液体上方的饱和蒸汽压与温度的关系如图1 4 所示。 相对湿度是日常生活中最常用的表示干湿程度的方法，通常所说的湿度即指 相对湿度。相对湿度的定义是单位体积空气内实际所含的水气密度和同温度下饱 和水气密度的百分比，由式( 1 3 ) 可得到相对湿度u 。o ) 乩o ) 2 南e 1 0 0 ( 1 4 ) 。v ， 因此，在图1 3 所示的密闭容器内，当达到动态平衡时，相对湿度为1 0 0 。相 对湿度的值对于温度特别敏感，例如，在一定温度下，相对湿度为9 0 r h ，如果温 度有l 变化，相对湿度就会发生5 的变化。 由相对湿度的定义公式，可以推导出对于含有一定量水汽的空气，在己知温度为 ，。时的相对湿度u 。，在常压下，这些空气的温度由f 。变为，2 ，则相对湿度变为 忆蠢x p ( 吣”搦 e x p i 二_ ! 一i ( 1 5 ) 1 3 露点盯3 对于含有一定量水汽的空气，在气压不变的情况下降低温度，使饱和水汽压 降至与当时实际的水汽压相等时的温度，称为露点。当空气中水汽己达到饱和时， 气温与露点相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气 温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。在1 0 0 的相对湿度时，周围环 境的温度就是露点温度。露点越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也 9 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计与实现 就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。可以假设式( 1 5 ) 中 u i = 1 0 0 ，并且f l = t d ，从而露点t d 的计算公式 l n f ，旦 + 丛 乙以乩)-办一fl-in 【赢广茄 ( 1 6 ) 基于a v r 争片机温室气雾培控制系统的设计与实现 2 硬件设计 气雾培控制系统主要包括上位机、下位机、节点、执行部件、外围设备等。结构 如图2 1 所示。下位机通过r s 4 8 5 总线获取节点采集到的数据，根据这些数据判断出 植物的生长环境，驱动动作执行部件对环境作出适当的调控。 摹于a v r 单j i i 机温室气雾培拎制系统的设计j 实现 本系统采用分布式数据采集方式，依靠温室内分布的多个节点采集数据，下位机 通过r s 4 8 5 总线获取节点采集的数据。下位机作为系统控制中心，需要根据节点采集 到的数据对作物生长环境调控，其最为主要的作用即调控苗床内的湿度以及苗床与温 室内的温度，这些调控措施由下位机驱动弥雾、保温等外部设施来完成。夏季时温室 内温度高、植物内部水分蒸发速度快，下位机需要适时降下遮阳网、开启排风扇以降 低温室内部温度，每隔一段时间在温室内弥雾以降低营养液的消耗速度。冬季温度低、 温室内部相对湿度大容易发生病害，夜间需要放下卷帘保温并且定时开起风口电机降 低室内湿度防止病害的发生。下位机还通过水池节点采集的数据针对贮水池进行实时 监控，通过井水泵控制贮水池内水位，每次开启柱塞泵之前都要先开启引水泵向柱塞 泵引水。为加快作物生长速度，下位机控制补光灯在夜间开启，以利于作物在夜间进 行光合作用。上位机软件定时查询下位机中存储的数据，在软件界面中显示温湿度， 贮水池的各个参量。此外，下位机还配有声光报警灯以便及时人工排除系统故障。 2 1 系统架构 2 1 1 设备介绍 气雾培需要把营养液经过雾化后均匀的喷洒在苗床的空间内，所以需要专门的雾 化设备，本文设计的控制系统采用能够形成高液压的柱塞泵，在其前端加装雾化喷头， 提供能够满足植物生长需求的雾化营养液，柱塞泵如图2 2 所示，由于柱塞和柱塞孔 精度配合，因此具有容积效率高，运转平稳， 优点。 图2 - 3 电磁阀 个电磁阀可以控制营养液的流向。电磁阀以节 电磁阀通断，以达到控制网络中营养液流向的 1 2 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设汁弓实现 目的。 在气雾培系统中需要一个专门的贮水池，如图2 4 所示，以利于营养液的循环。 需要弥雾时，先由引水电机从贮水池引水，一段时间后再启动电磁阀和柱塞泵向苗床 内弥雾，在所有苗床的底部都装有营养液回流管道，苗床内结露滴落的营养液再流回 贮水池达以到节省营养液的目的。由于植物的蒸发作用，营养液在使用一段时间以后， 其浓度会逐渐增大，贮水池内液位降低，这时就需要通过井水泵向贮水池中补充水分。 图2 5 所示是引水电机。 图2 4 贮水池 2 1 2 组网方案 图2 5 引水电机 本文设计的气雾培控制系统所应用的温室由于面积很大，在温室入口处与温室内 部温湿度差异较大，这种差异在冬季尤为明显。本系统针对这种情况将整个温室划分 成不同的区域进行数据采集，对于每个区域内的苗床实行单独的弥雾控制，多个区域 采取何种通讯方式将采集到的数据传输给下位机，成为控制系统设计过程中极其重要 的问题。 最直接的组网方案就是将系统所需的数据全部由输出模拟信号的传感器采集，采 集到的信号通过长距离的导线传输给下位机，如图2 - 6 所示。假设将温室划分为八个 区域分别采集苗床内的温湿度，还需要再次将温室划分为四个区域采集温室内的温湿 度，下位机至少需要分出十二根信号采集线，占用大量单片机端口资源的同时下位机 运算压力也大幅增加，传感器网络布线也极为困难，费时费力，而且由于传输距离较 远，即使所有的信号线都采用屏蔽线，下位机得到的传感器信号失真度较大，采集到 的数据不准确。 基于a v r 单片机温室气雾培控制系统的设计与实现 图2 - 6 传感器与下位机直接组网 鉴于模拟信号输出传感器与下位机直接组网存在的种种问题，本文采用分布式节 点的方法采集不同区域的数据。在温室的不同区域内分别设置节点，由节点控制传感 器采集数据，采集到的数据临时存储在节点内，降低了下位机的运算压力。节点的放 置可以非常靠近传感器，传感器输出的信号传输距离一般不会超过三米，避免了信号 失真的影响。 在下位机和节点之间传输数据又存在多种选择。近年来，随着无线技术的广泛应用， z i g b e e 技术成为工控方面无线通讯的首选。z i g b e e 来自于蜜蜂l 珧, z i g z a g 形状的舞蹈，来 通知其他蜜蜂有关花粉位置等信息，以达到彼此沟通的目的，故以此作为新一代无线通 讯技术之命名随1 。 z i g b e e 技术是一种短距离无线双向通信技术，该技术具有自动路径选择、自动连结 网络及自我恢复等功能。z i g b e e 技术特别适用于数据吞吐量小、网络建设投资少、网络 安全要求较高、不需频繁更换电池或充电的场合。预计将在消费类电子设备、家庭智能 化、工控、医疗设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用。 采用z i g b e e 技术针对气雾培控制系统组成的无线网络，如图2 7 所示，具有如下优 点：低功耗、时延短、网络容量大、可靠、安全阳1 0 1 。在本文设计的控制系统中由于对 苗床内温湿度传感器的应用有着特殊的要求，单靠电池无法完成采集数据的任务，所以 每个节点的电源必须由外部提供，z i g b e e 优势在本系统中无法体现，因此没有采用这种 技术。 1 4 基于a v r 单片机、温室气雾培控制系统的设计与实现 下位机 图2 7 以z i g b e e 技术为基础的无线传感器网络 本文设计的气雾培控制系统采用基于r s 4 8 5 总线的集散式数据采集方式。r s 4 8 5 串 行总线具有结构简单、组网容易、通信距离长、抗干扰能力强等特点，在工业控制中获 得广泛的应用。 r s 4 8 5 总线以双绞线为物理介质，通常工作于半双工通讯状态，即在同一时刻，总 线上最多只有一个节点处于发送状态，其他所有节点必须处于接收状态。r s 4 8 5 总线一 般工作在主从模式，整个通讯系统由一个主节点，若干个从节点组成，采用轮循的方式， 主节点依次和从节点通讯，这样就解决了r s 4 8 5 总线上的冲突问题。 r s 4 8 5 总线是工业应用中非常成熟的技术，是现代通讯技术的工业标准之一，采 用r s 4 8 5 总线设计数据采集网络也是基于这些原因。r s 4 8 5 总线用于多站互连十分方 便，由于采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将t t l 电平信号转换成差 分信号输出，在接收端，接收器将差分信号还原成t t l 电平，因此具有较强抗共模 干扰的能力。根据r s 4 8 5 工业标准，传送数据速率达1 0 0 k b p s 时通讯距离可达1 2 0 0 m 。 如图2 8 所示，r s 4 8 5 总线的串行通讯只需要两根线就可以完成。由于节点需要 外界供电，节点的电源线和通讯线的布线可以由一根四芯线完成，网络结构简单、实 用，既节省了无线收发模块的成本，又免去了复杂网络布线的麻烦。 由于机房距离温室较远，在下位机和上位机之间的通讯采用无线数据收发模块， 具有微发射功率、高抗躁能力、传输距离远等优点，免去了长距离布线的麻烦。 基于a v r 单片机温室气雾培拎制系统的设计j 实现 图2 - 8 基丁r s 4 8 5 总线的分布式数据采集组网方案 2 1 3 控制方式 由于温室面积较大，不同的区域内温湿度会有一定变化，所以本文设计的控制系 统将温室分为四个区域，由该区域内的节点分别采集温室内的温湿度。由于在温室内 的湿度值并不是气雾培系统中作物生长快慢的决定因素，所以控制系统只是将不同区 域采集到的数据加和求出平均值，以此作为统一调控温室内部湿度的依据，而温室内 部温度对作物生长非常重要，不同区域温度在冬季差别较大，本系统对于不同的区域 实行分别控制。 气雾培系统在不同季节对于温室内的温湿度控制方式有不同要求。夏季时，植物 生长速度快，致使叶片蒸发速度、营养液消耗速度也会相应提高，为节省成本，需要 在温室内适当加湿以降低营养液的消耗速度。夏季温室内的温度偏高时需要打开通风 口降温。冬季时，温室内的密闭环境内湿度过大容易导致病害的发生和蔓延，所以需 要根据传感器采集到的温室内湿度数据