利用風力發電的新型智能溫室

韓文軒　胡春華

摘 要

為了能夠突破農業的生產條件限制使溫室智能控制運用更加廣泛，引入了微型風力發電、雨水收集模塊；通過對溫室物理量的利用，設計了以基于MC9S12XS128單片機溫室控制系統方案，此系統設計控制穩定、經濟、便利、適應性強適合推廣。

【關鍵詞】MC9S12XS128單片機 模塊化 功能創新

1 引言

1.1 研究背景及意義

近年來，因為單片機被廣泛應用于工業控制領域，有很多溫室大棚均采用了單片機智能控制系統，然而方輝等單純的依靠單片機的智能控制并不能有效解決現代農業生產中出現的些許問題并且依靠51單片機不如使用總線頻率高且本身具有A/D功能的16位、32位單片機更為簡便靈活。而何勝等針對戶用小型風力發電系統的并網運行控制進行研究，可以更大范圍的去應用，它可以推廣到農業溫室大棚生產中。目前，智能溫室的研究已經趨近成熟，Hui Guo Lu等實現了成熟的溫室大棚智能控制。然而能夠與生產環境緊密結合且適應力強的的智能溫室發展尚不明顯。鑒于上述分析，現代溫室功能延伸方面存在很大提升空間，為此設計一種基于MC9S12XS128單片機的溫室大棚控制系統，在實現溫室大棚的智能控制的同時，也包含一些新的農業生產設計理念。

1.2 研究現狀分析

世界發達國家如荷蘭、美國、以色列等大力發展集約化的溫室產業，溫室內溫度、光照、水、氣、肥實現了計算機調控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝形成了一整套完整的規范化技術體系。此外，國外溫室業正致力于向高科技方向發展。遙測技術、網絡技術、控制局域網已逐漸應用于溫室的管理與控制中。 我國農業計算機的應用開始于20世紀70年代，90年代中后期，江蘇理工大學毛罕平等人研制開發了溫室軟硬件控制系統，能對營養液系統、溫度、光照、CO2 、施肥等進行綜合控制，是目前國產化溫室計算機控制系統較為典型的研究成果。本文基于自動控制理論，設計了相應的MC9S12XS128單片機智能控制和與實際農業結合性強的溫室系統。

2 系統簡介

2.1 系統總體框架

該智能溫室是由風力發電模塊、溫室信息采集及控制系統、單片機處理模塊、雨水收集模塊組成。

2.2 功能簡介

改智能溫室配有風力發電模塊，能夠給整個系統輸送可用的電力；單片機處理模塊能夠將傳感器傳回的數據進行有效處理，然后根據設定好的數據對溫度、濕度、光照強度做出相應的調整，以此實現溫室的智能調控。溫室配備有水槽，連接水泵及滴灌管線。溫室設計控制顯示屏來顯示實時的溫度、光強、濕度數據，并且在單片機處理模塊設計撥碼開關用來更換系統控制程序。

2.3 實現原理

2.3.1 溫室風力發電模塊

該模塊主要由發電、變電兩部分組成。風力發電原理主要是依靠空氣的流動，來推動風力發電機的葉片旋轉并帶動發電機轉子轉動而產生電力，是一種將風能轉換成機械能，再將機械能轉化成電能的過程。

變電是電氣工程中的技術，我們利用專業優勢進行變電試驗，選擇了開關電源、鉛酸蓄電池、繼電器、微型直流發電機作為主要元器件。試驗主要驗證溫室接受風電的可能性，關鍵是實現DC/AC轉換保正電力的穩定，模擬縮小版的溫室風力發電設施。最后的實驗結論是：模擬發電過程得到可靠的穩定裕度，僅用開關電源即可以滿足對220V市電壓的轉換。因此選用風電可操作且穩定。

2.3.2 溫室信息采集及控制系統

首先該系統包含“農作物正常生長預警指示系統”、“滴灌控制系統”、“光合/草簾控制系統”、“溫度控制系統”四個子系統。四個子系統的控制原理相同，均采用負反饋控制。本文的智能控制系統創新之處在于可以對溫室生產條件設定，使系統人機友好。

這些系統共同點為：都是由傳感器采集溫室內的模擬信號，再由單片機采集并處理，經過繼電器控制各功能單元運行。實現的功能包括：控制水泵、控制換氣扇、控制草簾拖動直流電機、控制液晶顯示屏、控制蜂鳴器LED警示燈。傳感器選用光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、溫度傳感器。傳感器一般選用結構簡單實用性強、靈敏度高的。

特別需要注重的是直流電機的電機驅動問題。電機驅動方法通常是用PWM占空比驅動，在溫室系統中難免遇到電機的負載較大的問題，這就要求系統能夠保證元器件工作穩定。我們通過實驗發現在直流電機驅動的時候加上個續流二極管可以很好的起到保護元器件的作用。

2.3.3 MC9S12XS128單片機智能功能原理

MC9S12XS128單片機是Freescale 公司的HCS12X系列16位單片機。由16位中央處理單元、128KB程序Flash）、8KB RAM、8KB數據Flash組成片內存儲器。MC9S12XS128單片機中有些特殊功能可定義為多個引腳，如PWM、SCI1模塊。

采用MC9S12XS128單片機智能控制首先進行A/D采集，采集溫室內各物理量在進行程序運算乃至控制整個溫室大棚各機電設備的運轉。例如本文溫室內“農作物正常生長預警指示系統”，它的原理是根據具體農業生產標準制定三個范圍：a（溫室內標準溫度范圍）、b（溫室內標準光照強度范圍）、c（溫室內標準土壤濕度范圍）相加得到一個農業生產綜合值，這個值落到農業綜合生產標準值域內，那么農作物正常生長指示燈亮。

需要注意的是為了進一步的保證系統的穩定性，在單片機編程中還可采用PID控制思想以克服外界對系統采樣時的擾動，可以設定目標，定義比例常數、積分常數、微分常數等。PID控制這種方法適合控制系統中，當前在工業生產中應用較為普遍。

3 智能溫室未來發展趨勢

國內外很多溫室大棚均采用了物聯網技術，實現溫室集約化、網絡化遠程管理。物聯網技術可以將各種感知技術、現代網絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用，可以測量基質濕度、成分、pH值、溫度、空氣濕度、氣壓、光照強度、二氧化碳濃度等，再通過模型分析，自動調控溫室環境、控制灌溉和施肥作業，從而獲得植物生長的最佳條件。未來，隨著中國經濟水平不斷提高，在物聯網技術的支持下現代智能溫室會在農業領域得到廣泛應用。

4 分析與結論

針對溫室大棚控制，本系統中融入風力發電模塊為該系統提供電力，設計雨水收集裝置進行蓄水。系統有效結合傳感器技術和單片機處理技術，能夠對光照強度、溫室內部溫度以及土壤濕度進行檢測，并實現對各物理量的閉環控制。硬件設計過程中采用模塊化設計、PID控制思想，提高了系統的穩定裕度。本系統所用器件性能穩定、廉價，成本較低，性價比較高。

作者單位

濱州學院電氣工程系 山東省濱州市 256603