溫室大棚智能溫濕度控制系統的設計與實現

李麗麗，施 偉

（遼寧工程技術大學電子與信息工程學院，遼寧 阜新 123000）

隨著經濟和社會的快速發展，人們的生活水平也在不斷地提高，對各種反季節蔬菜的需求量越來越大。反季節蔬菜的種植，主要借助溫室大棚為蔬菜生長提供一個合適的溫濕度環境[1]。由于不同蔬菜作物的適宜溫度和濕度不同，且需要穩定在一定的范圍內。僅僅依靠人工管理會出現調節不及時、不準確等問題，不僅影響蔬菜正常生長，同時也會造成人力資源的浪費[2]。因此，需要一種能對大棚溫濕度檢測有足夠精度，并能實時控制的系統來代替人工操作，同時盡可能有較低成本。

根據以上要求，筆者針對溫室大棚的分布和各種作物生長的特點，采用PID算法設計了一套溫濕度控制系統，該系統能實現多點溫濕度數據的采集、處理并實時顯示，通過對監測數據的分析，結合作物生長發育規律，控制環境參數，使農作物達到優質、高產的目的。系統操作簡單、容錯能力強且容易擴展，具有較高的實際應用價值。

1 系統總體設計

溫室大棚的溫濕度控制系統首先是一個實時性系統，需要傳感器的各種測量數據能及時的顯示，同時，監控系統又是一個多點檢測系統，需要在不同的點布置傳感器，這些傳感器要通過總線連接，并實現與上位機的數據傳輸。從總體上講，分為上位機和下位機系統。上位機是總的控制和顯示系統，其通過可擴展的總線和RS-485與物理上分布在不同位置的第二級下位機系統（包括各種傳感器的感應模塊）連接。系統在即時性、可靠性、安全性等方面都有特定的要求，其要實現的目標如下：（1）對大棚內的溫濕度參數進行實時采集，測量棚內多個均勻分布點的溫濕度，由溫濕度傳感器進行溫濕度采集，MCU對各個傳感器采集的數據進行循環檢測、傳輸。（2）超限數據報警。（3）通信系統應有較高的可靠性、較好的實時性和較強的抗干擾能力，與MCU通信應具有遠距離傳輸功能，采用RS485通訊方式。（4）系統技術指標如下：測量溫度范圍為-20～100℃；測量溫度精度±0.1；測量濕度范圍 0～100%；測量濕度精度±2.5。

硬件方面采用模塊化設計，每一個模塊只實現一個特定功能，最后再將各個模塊搭接在一起。這種設計方法可以降低系統設計的復雜性。系統硬件電路由溫濕度傳感節點、LCD顯示、溫濕度控制、報警模塊、看門狗、鍵盤模塊組成。其系統總體結構如圖1。

圖1 系統體系結構

2 系統詳細設計

2.1 下位機系統設計

2.1.1 MCU 該系統采用AT89S52單片機作為整個系統的控制核心[3]。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。

2.1.2 溫濕度傳感器 充分考慮系統的精度和大棚環境需要的抗腐蝕性，選擇溫濕度傳感器SHT10。他是SENSIRION公司生產的SHT1x系列數字溫濕度集成傳感器的一種，SHT1x系列單芯片傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電容性聚合體濕度敏感元件，一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，以鏡面冷凝式濕度計為參照。校準系數以程序形式存儲在OTP內存中，在校正的過程中使用[4-5]。兩線制的串行接口，使外圍系統集成變得快速而簡單。單路SHT10傳感器連接如圖2。

圖2 單路SHT10連接

2.1.3 鍵 盤 為了滿足使用需要，設計了一個6鍵的鍵盤，從鍵盤可以輸入測量溫度和濕度的上下限以及灌溉時間，此鍵盤操作簡單靈活，易于上手。其中5個引腳分別與單片機上的5個端口相連，并有一個電源接口。S3與S6分別為濕度控制調整的上限與下限按鈕，S5與S2分別為溫度控制調整的上限與下限按鈕，S4與S1為時間控制調整的上限與下限按鈕。

2.1.4 濕度控制電路 溫濕度控制電路是設計的重要部分。首先介紹濕度控制電路，濕度控制電路如圖3所示。當土壤濕度低于設定值，P1.5輸出高電平，反向后為低電平，SSR1交流觸點接通，交流接觸器1線圈得電，接通水泵電機，開始澆水，直到指定濕度；當檢測的空氣濕度超過設定值，P1.6輸出高電平，反向后為低電平，SSR2交流觸點接通，交流接觸器2線圈得電，接通換氣扇，空氣濕度達到設定值后換氣扇停止工作。

圖3 濕度控制電路

2.1.5 溫度控制電路 根據系統用戶預先設定的溫度值，對溫室大棚內部的溫度進行實時控制。該模塊硬件部分由過零檢測電路和PID控制電路兩部分組成，具體電路圖4所示。過零檢測電路由D1～D4這個二極管組成，當交流電通過零點時，觸發外部中斷0，提供加熱的同步處理信號。PID控制電路由加熱電阻、雙向可控硅等組成的阻容浪涌電壓吸收電路組成。作用是控制執行主機送來的控制信號，通過PID算法改變系統加熱的速度。

圖4 PID溫度控制模塊電路

2.1.6 看門狗保護電路 針對現有的農業控制系統會因為工作環境復雜而出現程序跑飛的問題，專門設計了一個看門狗保護電路。看門狗定時監視微處理器的工作，如果在1.4 s內，處理器不改變WDI電平，RST引腳將變為高電平，處理器則被復位。硬件電路如圖5所示。圖中單片機的P1.0為X5045提供片選信號和看門狗復位信號，P1.1接收X5045的串行數據，外部頻率發生器提供串行時鐘，P1.2向X5045發送串行數據，X5045的RST引腳輸出看門狗溢出信號，與單片機的RESET引腳相連，用于處理器的復位。

圖5 看門狗電路

2.2 上位機系統設計

該系統上位機程序采用Keil C編制[6-12]，由主程序和子程序組成。主程序主要實現系統硬件的初始化，實現預定功能，維持大棚智能溫濕度控制系統的正常運行。子程序主要實現各個功能，包括溫濕度范圍和時間設定子程序、LCD顯示子程序、時鐘子程序、溫度采集子程序、濕度采集子程序、PID控制子程序、鍵盤子程序、報警子程序。這里著重介紹一下程序設計中的難點PID溫度控制子程序。該系統所用的是數字PID中的增量式PID控制算法，執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量。增量式PID控制算法公式為：

其中，ei為本次差值，ei=設定值-實際值；ei－1為上次差值；ei－2為上上次差值；k為比例系數；T為采樣周期；Ti為積分時間；Td為微分時間；T/Ti為積分系數；Td/T為微分系數；△Ui為調節量。程序流程圖如圖6所示。

圖6 增量式PID控制算法流程

3 系統測試

系統測試安排在遼寧阜新農業示范園區進行，測試時間為2010年12月1日至31日，為期1個月，測試對象是面積為500 m2的番木瓜大棚。溫度控制范圍27～30℃，控制精度±1℃，空氣濕度控制范圍60%～70%，控制精度±2。在大棚的不同區域懸空設置了8個溫濕度采集點，每隔1 min進行一次溫濕度采集，采集的數據經串口采用485協議送入MCU，由MCU將每10次采集數據取平均值與設定的溫濕度進行比對，如環境參數不在設定值范圍內，則由MCU發出控制指令打開噴灌設備開關或調節電熱功率。由于實際條件的限制，系統未連接排風設備，短信報警功能也未能測試。

以12月15日為例，說明該智能溫濕度控制系統的使用性能。12月15日遼寧阜新市由于寒流影響，室外氣溫從前一天的7～-10℃，降至-1～-15℃，是系統測試期間室外溫度變化最大的一天，也是測試系統穩定性和控制精度的最好時間。將該日7∶00～12∶00系統控制并采集的溫濕度的平均值與經過ZZ1-635-1型溫濕度計采集的實際溫濕度進行對比（見表1），得到測試結論如下：

（1）系統控制溫濕度范圍一直保持在設定范圍以內，相鄰小時間溫濕度變化較平緩。

（2）溫度最大誤差為-1.8，濕度最大誤差2，達到系統控制精度±2的要求。系統采集溫濕度普遍低于實際情況，可能是由于溫濕度傳感器內部電橋不平衡而引起的誤差。

表1 系統測量值與實際值對比

（3）運行期間系統由于程序跑飛等情況造成看門狗自動重啟9次，平均3 d一次，說明大棚內高溫高濕環境造成控制系統軟硬件故障較多而設置看門狗保護電路是必要的，同時在軟件設計中要注意不要將重要的系統參數存儲在寄存器中，以避免因系統復位造成參數丟失。

4 結 論

該智能溫濕度控制系統設計將嵌入式技術和自動控制技術應用于農業溫室大棚溫濕度控制中，通過對系統進行詳細的設計和測試得到結論如下：

（1）為適應溫室大棚高溫、高濕、高腐蝕的環境，控制系統設計中應盡量采用低成本高穩定性的成熟器件。

（2）通過實際測試，大棚內空氣溫度和濕度的最大誤差分別為-1.8和2，系統在無人看管情況下自動運行1個月，測試結果表明，該系統的精確性和穩定性完全達到了設計要求，將該設計應用于實際大棚溫濕度監控是可行的，能夠為農業優質、高產提供保證。

（3）該設計未涉及現代大棚種植技術中另外兩個影響因素——二氧化碳濃度和光照，今后，可以在這兩個方面對該系統進行研究。

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