基于太陽(yáng)能技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王洪東，陳 超，呂曉雪，孫立峰

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)阿拉爾棉花檢驗(yàn)測(cè)試中心，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)阿拉爾纖維檢驗(yàn)所，新疆 阿拉爾 843300；3.塔里木大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 43300）

1 設(shè)計(jì)依據(jù)及總體設(shè)計(jì)思路

南疆地區(qū)自然氣候環(huán)境惡劣，蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品緊缺，發(fā)展智能溫室能加速農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，解決南疆蔬菜緊缺的問(wèn)題，智能溫度也是農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)展的方向。目前，南疆的農(nóng)業(yè)設(shè)施主要以塑料大棚為主，智能溫室應(yīng)用較少。從南疆農(nóng)業(yè)設(shè)施的應(yīng)用情況來(lái)看，塑料大棚的控制精度較低，農(nóng)作物的產(chǎn)出量較低；農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)部的作業(yè)還大多依靠人力操作，溫棚的人工作業(yè)量較大，溫棚的自動(dòng)化控制程度較低。南疆日照條件充足，晝夜溫差大，年日照時(shí)間在4000小時(shí)以上，具有優(yōu)質(zhì)的太陽(yáng)能發(fā)電條件，利用太陽(yáng)能對(duì)溫室進(jìn)行供電，可解決南疆偏遠(yuǎn)地區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)較少的問(wèn)題。

太陽(yáng)能電池板一般選用晶體硅電池，對(duì)于新型的薄膜太陽(yáng)能電池使用較少，薄膜太陽(yáng)能電池具有結(jié)構(gòu)輕巧，形式變化多樣，適用于溫室頂部的安排與設(shè)計(jì)。根據(jù)南疆的氣候特點(diǎn)與溫室結(jié)構(gòu)，利用薄膜太陽(yáng)能電池板材料，將溫室的日光照射面安裝薄膜太陽(yáng)能電池板，通過(guò)與薄膜太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置的連接，形成一套薄膜太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。利用發(fā)電系統(tǒng)可用來(lái)解決溫室能源的動(dòng)力供給。總體的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的溫室總體設(shè)計(jì)框圖

薄膜太陽(yáng)能電池板適合各種彎曲面形狀，將薄膜太陽(yáng)能電池板安裝在溫頂層，用來(lái)吸收太陽(yáng)能源，太陽(yáng)能源轉(zhuǎn)化為電能后，通過(guò)充電電路對(duì)太陽(yáng)能畜電池組進(jìn)行充電，控制電路用來(lái)總體控制太陽(yáng)能的充電與放電過(guò)程，檢測(cè)畜電池組的電量大小等。放電電路與溫室供電系統(tǒng)連接，用來(lái)提供溫室溫度、濕度控制系統(tǒng)的電能。

2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）太陽(yáng)能電池板的選擇。智能溫室的主要負(fù)載為加熱系統(tǒng)與濕度控制系統(tǒng)，按南疆地區(qū)溫室控制標(biāo)準(zhǔn)，溫室面積在50m2，每平方米需使用電加熱器功率為20W，則加熱系統(tǒng)功率為1kW。濕度控制主要為儀表設(shè)備，功率較小，整個(gè)智能溫室的功率按4kW計(jì)算，有效使用時(shí)間為12小時(shí)，則太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率為4kW。由太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，可進(jìn)行薄膜電池面積計(jì)算：

式中，A為薄膜電池的有效使用面積；P為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率；S為太陽(yáng)能幅射強(qiáng)度（南疆地區(qū)平均為3.94kW/m2）；θ為太陽(yáng)能在薄膜電池上的作用角度（取值為90度）；η為薄膜電池陣列的效率（漢能薄膜電池轉(zhuǎn)化效率為13%）；F為太陽(yáng)能系統(tǒng)綜合效率（取值0.92）。本設(shè)計(jì)中采用漢能薄膜PIN型三結(jié)非晶硅鍺疊層電池，通過(guò)計(jì)算可得薄膜電池總使用面積為26m2。

（2）畜電池組的設(shè)計(jì)。根據(jù)溫室工作條件，工作電壓為220V，蓄電池放電電流為12A，則蓄電池容量Q為：

式中，T為工作時(shí)間（h）；UL為負(fù)載工作電壓（V）。則蓄電池容量計(jì)算為255A·h。

（3）逆變器的選擇。薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較低，逆變器的作用是將蓄電池組的電量通過(guò)逆變成可供用戶直接使用的交流電源，逆變器是提高太陽(yáng)能發(fā)電裝置輸出功率的關(guān)鍵。綜合蓄電池組的供電能力，選用華為生產(chǎn)的SUN1000-8 TL型的逆變器，其額定功率為4.8kW，帶有欠壓與過(guò)壓保護(hù)，同時(shí)帶有自動(dòng)跟蹤MPPT（最大功率點(diǎn)）的功能，能滿足溫室系統(tǒng)的需要。

3 智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能溫室的控制包括對(duì)溫室內(nèi)部的溫濕度控制，以保證溫室內(nèi)部植物生長(zhǎng)在最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。南疆溫室的溫度控制范圍一般為20℃~28℃，濕度范圍為50%~60%，控制精度為±2℃。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)考慮對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)的供電控制，選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)，在性能上，AT89S52單片機(jī)是一種具的低功耗、高性能、功能多等特點(diǎn)的CMOS8位單片機(jī)，完全滿足智能溫室控制系統(tǒng)的要求。單片機(jī)硬件系統(tǒng)的核心元件設(shè)計(jì)如圖2所示。圖2中，AT89S52單片機(jī)的P0.0-P0.7口作為溫濕度信號(hào)采集端口，與采集模塊ADC0809N連接，溫濕度傳感器通過(guò)采集模塊向單片機(jī)傳輸實(shí)時(shí)信號(hào)。P1.0-P1.7口作為溫濕度信號(hào)的顯示端口，P2.0-P2.7口作為溫室各類(lèi)設(shè)備的控制端口，主要控制加熱器、風(fēng)機(jī)、濕度控制器等設(shè)備。智能溫室的控制設(shè)計(jì)中，溫度與濕度信號(hào)的檢測(cè)精度與溫室溫濕度的準(zhǔn)確控制密切相關(guān)，結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)，選擇美國(guó)DFrobot公司生產(chǎn)的DHT11型溫濕度傳感器。DHT11芯片自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊，輸出管腳為4，其中1腳接電源VCC，2腳接上拉電阻，3腳與4腳為信號(hào)輸出管腳。DHT11接入電源范圍為DC3-5.5V，濕度測(cè)量值范圍在20%~100%RH之間，測(cè)量精度為±5%RH；溫度測(cè)量范圍為0~50℃，測(cè)量精度為±2℃。

圖2 智能溫室單片機(jī)控制系統(tǒng)核心元件圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)溫室內(nèi)部各控制參數(shù)的處理、外部信號(hào)的顯示與處理以及太陽(yáng)能發(fā)電裝置的充電控制。軟件采用Keil CV7.06軟件進(jìn)行程序的編制，編制完成后利用Proteus7.11仿真器進(jìn)行仿真分析，從而得到最優(yōu)的軟件系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)中，溫室內(nèi)部的溫濕度控制是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，其程序流程圖如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，單片機(jī)對(duì)程序進(jìn)行初始化，查詢P0.0-P0.7的接收狀態(tài)，接收到安裝在溫室內(nèi)部的各個(gè)溫濕度傳感器實(shí)際值。對(duì)實(shí)際值進(jìn)行讀取后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)導(dǎo)入溫濕度控制的目標(biāo)值，采用PID算法，對(duì)實(shí)際值與目標(biāo)值之間進(jìn)行不斷比較，輸出最終的控制信號(hào)，直至溫室內(nèi)部參數(shù)在目標(biāo)值的控制范圍內(nèi)變化。同時(shí)，軟件系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有溫室度實(shí)時(shí)顯示與報(bào)警、太陽(yáng)能充電狀態(tài)顯示、加熱器與濕度控制器的PID調(diào)節(jié)等功能。

圖3 程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，對(duì)南疆溫室進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，結(jié)合試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

（1）薄膜太陽(yáng)能發(fā)電裝置適合作為農(nóng)業(yè)設(shè)施的供電電源，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮發(fā)電量與電能利用效率，通過(guò)試驗(yàn)表明，在發(fā)電時(shí)間段內(nèi)，發(fā)電量變化均勻，通過(guò)穩(wěn)壓等電路處理，逆變后的電流波形穩(wěn)定，能滿足溫室系統(tǒng)的使用。

（2）溫室的控制主要以溫度與濕度控制為主，通過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果表明單片機(jī)控制的溫濕度系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的控制穩(wěn)定，溫室的溫度能穩(wěn)定在25℃~28℃之間，濕度值保持在50%~60%之間，滿足作物的生長(zhǎng)條件。

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