设施农业太阳能温室大棚监测控制系统设计

设施农业太阳能温室大棚监测控制系统设计设施农业太阳能温室大棚监测控制系统设计 摘 要 温室环境系统是一个多变量 非线性 时变和滞后的系统 其中 空气温湿度 土 壤湿度 浓度以及光照强度等环境因子的变化是最基本的变化 对农业作物生长的影响最 为显著 由于系统采用太阳能供电 因而给出太阳能电池的选择以及充放电控制器的选择考虑因 素 具有普适性 太阳能供电系统与单片机 传感器配合 构成温室大棚数据采集系统 并给出 了整个系统装置的软件设计程序及框图 关键词 温室大棚 太阳能供电 单片机 数据采集 0 引言 我国是世界农业大国 随着我国农业的基础条件 投入程度 科技程度等不断改进 农产品 产量大幅度增长 但我国在农业发展中仍面临着许多的问题与挑战 实行符合我国国情的生态农 业是促进我国农业发展的必经之路 我国大部分地区尤其是偏远地区大多以家庭为单位种植 适 合于我国的农业智能温室还需要进一步的研究 为此 基于我国不同类型温室经营者的经济和技 术水平 研制出一种实用性强 市场前景好的温室监测系统 1 太阳能供电系统 在农业生产温室中 电源供电需要架设电线 而农田中需要检测的节点较多 并不适宜使用 交流电源供电 本系统采用太阳能供电 由太阳能电池组件 太阳能控制器 蓄电池搭建整个温 室的供电系统 利用太阳能进行能源转化成电能储存在蓄电池中 为温室环境监测仪提供电能 太阳能供电系统组成如图 所示 1 1 太阳能电池的选择 为了保证太阳能电池组件的使用寿命 设计在 年以上 蓄电池容量能满足设备负载 天 连续阴雨天供电 但是 从经济性上考虑 设计的系统耗电量低 类似于智能手机的供电方式 所以采用锂电池的供电设计方案 蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的 因为设备所需的电量都是由蓄电池提供的 太阳 能方阵每日所发电量都要存储到蓄电池内以供设备消耗 且每天太阳能方阵需要多发出一部分电 量存储到蓄电池内以备阴雨天使用 因此 蓄电池的容量 Bc 计算公式为 BC A QL NL T CC 式中 A 安全系数 取 之间 QL 负载日平均耗电量 工作电流乘以日工作小时数 本装置负载工作电流近似为 畅 日工作小时数为 则 QL 畅 NL 最长连续阴雨天数 根据北方的天气特征 NL 取 即可 T 温度修正系数 一般在 以上取 以上取 以下取 CC 蓄电池放电深度 一般锂电池取 所以 蓄电池的选择为 选用单体为 个串联形 成 1 2 太阳能电池方阵设计 太阳能电池方阵基本单元拟选定单组为 太阳能电池板 需要太阳能板的数量的 计算 单块太阳能板日发电量计算公式为月发电量 功率 充电时间 综合充电效率 损耗 其中 单块太阳能板的功率为 充电时间 经检测为 即可充满 由于蓄电池本身 充电不能达到 经检测 其综合充电效率为 天总耗电量 负载 天总耗电量 逆变器效率 NL 需要太阳能电池板数量为 天总 耗电量 单块太阳能板日耗电量 块 即共需要 块 太阳能电 池板 1 3 充放电控制器的选择及考虑因素 虽然充放电控制器是太阳能供电系统中价值最小的部分 但是它却是整个太阳能供电系统的 核心控制部分 一个先进的充放电控制器 不仅具有基本的充放电控制功能 还需能够控制太阳 能电池方阵尽可能多地吸收太阳能 提高充放电效率 并且能够防止蓄电池过充电以及深度放电 延长蓄电池的使用寿命等 白天 太阳能板所输出的电能存储在蓄电池里 同时供给负载使用 当蓄电池电量达到规定限度时 它能够停止对蓄电池充电 防止蓄电池过充 晚上 它将蓄电池 里存储的电能供给负载使用 同时要防止反充电路对太阳能板进行充电 当蓄电池电量不足时 及时切断供电电路 防止蓄电池过放 从而起到保护蓄电池的作用 本装置选用的是锂电池 在 选择充放电控制器需要考虑以下几点 负载的最大功率 只有当太阳能电池在整个 工作过程中 近似的工作在其最大功率点处 太阳电池板的能量转换效率才最高 故需要具 有先进的最大功率追踪电路 时控功能 一个好的太阳能充放电控制器要有好的时控功能 当充入的电量达到上限 值时 能够及时做出反应 以保护蓄电池 当放电电量达到下限时 要及时停止放电 保护性能 保护性能包括过充 过放 过载保护 短路反接等 由于蓄电池大部分时 间基本处于欠充状态 因此对蓄电池电压数据实时采集 对蓄电池设置限压保护 并采用实时跟 踪计算与测试蓄电池电量 从而其采取防过充和过放保护是非常必要的 根据上述考虑因素 本装置选择一个智能型太阳能控制器 它具有过充 过放 过载保护和 短路反接功能 同时有微电脑时间控制器和交直流输出等优点 2 系统搭建 本系统的硬件电路框图如图 所示 单片机选用美国 公司生产的 单片机 为了实现温室大棚内各种参数的数据采集任务而使用的各种类型传 感器如图 所示 通过集成的各种传感器及监测仪可以完成对温室的环境温度 湿度 光照度 土壤温度和土壤含水量等参数的采集 存储和向监控中心传送数据以及执行监控中心的指令等功 能 监测仪具有便携式 自埋式设计 升降杆等特点 结构简单 便于操作 监测仪外形设计图 如图 所示 3 软件设计程序及框图 系统采集系统总程序流程图如图 所示 主程序 光敏 湿度 传感器工作信号 给 标准电位 头文件 主函数 转换初始化 处理土壤湿度数据 处理土壤温度数据 处理光强函数 4 结论 进行了温室大棚单片机数据采集系统的设计 由于采用了面向工业测控系统的单片机 故使 得系统的可靠性大为增强 同时也降低了微机化数据采集系统的成本 本系统已进行实际应用 可批量生产 并可望在不久之后 大批应用于温室大棚中 参考文献 李敏 孟臣 温室大棚计算机测控系统的研制 计算机与农业 张艳红 张崇巍 张兴 等 一种新型光伏发电充放电控制器 可再生能源 杨金焕 于化丛 葛亮 太阳能光伏发电应用技术 北京 电子工业出版社 附录 托普物联网简介 托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目 浙江托普仪器是国内领先的农业仪器 研发生产商 依据自身在农业领域的研发实力 和自主研发的配套设备 在农业物联网领域崭露 头角 托普物联网以客户需求为源头 结合现代农业科技 通信技术 计算机技术 GIS 信息技术 以及物联网技术 竭诚为传统行业提供信息化 智能化的产品与端到端的解决方案 主要有 大 田种植智能解决方案 畜牧养殖管理解决方案 食品安全溯源解决方案 食用菌种植智能化管理 解决方案 水产养殖管理解决方案 温室大棚智能控制解决方案等 托普物联网三大系统产品托普物联网三大系统产品 我们知道物联网主要包括三大层次 即感知层 传输层和应用层 因此托普物联网产品主要 以这三个层次延伸 涵盖了感知系统 环境监测传感设备 传输系统 数据传输处理网络 应 用系统 终端智能控制平台 托普物联网模块化智能集成系统托普物联网模块化智能集成系统 托普物联网依据自身研发优势 开发了多种模块化智能集成系统 1 传感模块 即环境传感监测系统 它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所 需数据监测的功能 2 终端模块 即终端智能控制系统 它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉 自 动降温 自动开启风机 自动补光及遮阳 自动卷帘 自动开窗关窗 自动液体肥料施肥 自动 喷药等各类农业生产所需的自动控制 3 视频监控模块 即实时视频监控系统 主要是通过监控中心实时得到植物生长信息 在监控中 心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况 4 预警模块 即远程植保预警系统 可以通过声光报警 短信报警 语音报警等方式进行预警 5 溯源模块 即农产品安全溯源系统 该系统对农产品从种植准备阶段 种植和培育阶段 生长 阶段 收获阶段等对作物生长环境 喷药施肥情况 病虫害状况等