自動(dòng)控制在蔬菜大棚溫控系統(tǒng)中的發(fā)展與應(yīng)用

摘 要：目的：科學(xué)研究蔬菜大棚智能化溫度操縱系統(tǒng)。方式：根據(jù)電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能化蔬菜大棚溫度操縱系統(tǒng)的方案，詳盡論述了該系統(tǒng)的溫度收集、溫度標(biāo)示、操縱系統(tǒng)、電加熱器控制回路等系統(tǒng)硬件配置的制定觀念，改善了系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，最終運(yùn)用MATLAB開(kāi)展了系統(tǒng)模擬仿真。結(jié)果：控制器設(shè)計(jì)與PID控制緊密結(jié)合，改善了系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。模擬仿真曲線圖說(shuō)明，該系統(tǒng)具備較好的操縱和追蹤特性，溫度精度高，并配備了上位機(jī)軟件和輔助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制系統(tǒng)，有利于生產(chǎn)制造的規(guī)范化管理。結(jié)論：本研究設(shè)計(jì)的蔬菜大棚智能溫控系統(tǒng)工業(yè)觸摸屏品質(zhì)優(yōu)良，操作簡(jiǎn)易便捷，自動(dòng)化技術(shù)水平高，成本低，具備較好的應(yīng)用前景和宣傳使用的價(jià)值[1]。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;蔬菜大棚;溫控系統(tǒng);發(fā)展與應(yīng)用

伴隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，人民生活水平日益提升，蔬菜大棚蔬菜銷售市場(chǎng)日益擴(kuò)張。尤其是華北地區(qū)，在寒冷的冬季，只靠南菜北調(diào)長(zhǎng)途貨運(yùn)的方式，不但成本相對(duì)高，蔬菜的最優(yōu)食用時(shí)間也延期了。因而，借助農(nóng)牧業(yè)科技大力發(fā)展蔬菜大棚，可以更好地達(dá)到人們的日常生活要求，這也是我國(guó)菜籃子工程所包括的內(nèi)容。冬天塑膠蔬菜大棚最重要的管理因素之一是溫度操縱。假如溫度太低，蔬菜便會(huì)凍死或終止生長(zhǎng)發(fā)育，因此要常常在合適蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的范疇內(nèi)調(diào)整溫度。假如僅用人工干預(yù)不但耗費(fèi)人力資源，還非常容易犯錯(cuò)。因此，設(shè)計(jì)了智能化系統(tǒng)控溫系統(tǒng)，以調(diào)整蔬菜大棚溫度，融入生產(chǎn)制造要求。

一、研究背景

執(zhí)行鄉(xiāng)村振興策略是黨的十九大關(guān)鍵決策。發(fā)展高效率綠色生態(tài)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品級(jí)別的增加值，擴(kuò)張創(chuàng)收室內(nèi)空間，是推動(dòng)農(nóng)村發(fā)展轉(zhuǎn)型發(fā)展的強(qiáng)有力對(duì)策。伴隨著人們生活水平的提升，溫室大棚在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造中激發(fā)著愈來(lái)愈關(guān)鍵的功效，運(yùn)用溫室大棚可以增加新鮮水果、蔬菜、盆栽花卉的供貨限期，提升生產(chǎn)效率，完成新鮮水果、蔬菜和盆栽花卉的本年度供貨。可是現(xiàn)在在我國(guó)絕大多數(shù)溫室智能化系統(tǒng)操縱水準(zhǔn)不高，生產(chǎn)效率低，沒(méi)法避免戶外氣侯造成的危害。因而，科學(xué)研究溫室自然環(huán)境自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)，完成溫室大棚的智能化系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化管理是新形勢(shì)下高效率生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的發(fā)展趨勢(shì)規(guī)定和方位[1]。

溫室全自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)代電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)及其溫室系統(tǒng)技術(shù)的引入，自動(dòng)識(shí)別和調(diào)整溫室溫度、環(huán)境濕度、照明燈具等環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，使綠色植物的大自然生長(zhǎng)發(fā)育正常。換句話說(shuō)，能夠更好地防止受到溫度、照明燈具等外界環(huán)境的危害。

本文詳細(xì)介紹了溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的基本原理和具體作用，注重全自動(dòng)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造中的主導(dǎo)地位和功效，對(duì)普及化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)、推動(dòng)溫室大棚智能化系統(tǒng)、協(xié)助農(nóng)村發(fā)展轉(zhuǎn)型發(fā)展具備一定的參考實(shí)際意義。

二、自動(dòng)控制技術(shù)的原理和功能

2.1 基本原理

自動(dòng)化技術(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)器設(shè)備模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、監(jiān)管控制模塊和消費(fèi)者控制模塊五部份構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊在溫室中置放溫度感應(yīng)器、濕度傳感器、光照度感應(yīng)器、CO2濃度值感應(yīng)器等各種感應(yīng)器，收集溫室內(nèi)溫濕度、光照度、CO2濃度值等主要參數(shù)。機(jī)器設(shè)備模塊根據(jù)控制系統(tǒng)（自然通風(fēng)、噴灌設(shè)備、窗簾布、照明燈具擋光等）調(diào)節(jié)溫室的變量值，給予最合適植物的生長(zhǎng)的自然環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)模塊關(guān)鍵承擔(dān)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行。ZigBee技術(shù)性能夠低成本、安全地完成溫室溫室大棚自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器互聯(lián)網(wǎng)的配備，各測(cè)試設(shè)備將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳入無(wú)線路由器，路由器將數(shù)據(jù)信息上傳入控制器，調(diào)節(jié)器將數(shù)據(jù)信息置放在監(jiān)管中。監(jiān)控控制模塊可以查詢溫室中每一個(gè)主要參數(shù)的值，還可以依據(jù)客戶設(shè)置的對(duì)象主要參數(shù)全自動(dòng)調(diào)節(jié)每一個(gè)機(jī)器設(shè)備。在客戶控制模塊中，客戶可以根據(jù)Andriod服務(wù)平臺(tái)見(jiàn)到溫室內(nèi)各環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，立即開(kāi)展創(chuàng)新管理。這也是溫室溫室的智能控制系統(tǒng)基本原理圖，如下圖1所顯示。

2.2主要功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1溫度。溫室內(nèi)溫度的控制和調(diào)整包含加溫、制冷和隔熱保溫三個(gè)層面。在溫室安裝溫度感應(yīng)器，收集溫度變量值，根據(jù)顯示屏及時(shí)表明室內(nèi)溫度。房間內(nèi)溫度超過(guò)設(shè)置的限制閾值時(shí)，直流伺服電機(jī)開(kāi)啟快速門設(shè)備，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，打開(kāi)窗戶自然通風(fēng)，進(jìn)而降低溫度。假如房間內(nèi)溫度小于設(shè)置的最低值閾值，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件將關(guān)掉窗簾布，打開(kāi)電風(fēng)扇，將發(fā)熱量吹入房間內(nèi)，提升溫度。

2.2.2濕度。溫室濕度的控制包含土壤層濕度、氣體濕度的調(diào)整。土壤層濕度由土壤濕度感應(yīng)器收集，當(dāng)土壤層濕度小于設(shè)置的閾值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)，做到一定濕度時(shí)全自動(dòng)停止?jié)补啵S持合適植物的生長(zhǎng)的土壤層濕度。氣體濕度由空氣濕度感應(yīng)器實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。假如室內(nèi)空氣質(zhì)量濕度超出設(shè)置的限制閾值，排氣管風(fēng)機(jī)排氣管將自動(dòng)啟動(dòng)，進(jìn)而減少室內(nèi)空氣質(zhì)量濕度;假如室內(nèi)空氣質(zhì)量濕度小于設(shè)置的最低值閾值，灑水設(shè)備將自動(dòng)啟動(dòng)，進(jìn)而提升室內(nèi)空氣質(zhì)量濕度;假如達(dá)到預(yù)置濕度范疇，灑水設(shè)備將全自動(dòng)關(guān)掉。

2.2.3照明燈具抗壓強(qiáng)度。根據(jù)數(shù)據(jù)光照強(qiáng)度感應(yīng)器即時(shí)收集溫室內(nèi)的光照度，假如房間內(nèi)色度高過(guò)客戶提前制定的限制閾值，則根據(jù)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)房頂?shù)恼诠猓档土炼取Ｕ彰鳠艟呖箟簭?qiáng)度降低到客戶設(shè)置的最低值閾值下列時(shí)，燈光控制系統(tǒng)將全自動(dòng)開(kāi)啟、填補(bǔ)，并在顯示屏上顯示出來(lái)。

2.2.4CO2濃度值。溫室溫室大棚常常處在封閉情況，里外氣體交換不夠，CO2濃度大，下午植物光合作用造成CO2濃度值降低，溫室內(nèi)CO2濃度值小于預(yù)置范疇最低值，系統(tǒng)軟件自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)降溫設(shè)備，維持溫室內(nèi)CO2濃度值平穩(wěn)。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

該系統(tǒng)可以分布式系統(tǒng)精確測(cè)量和表明溫室大棚自然環(huán)境溫度。可以在白天和夜里為蔬菜水果的生長(zhǎng)發(fā)育設(shè)定恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，假如收集的自然環(huán)境變量值超出設(shè)定的限制和下限制值，則可以傳出報(bào)警。農(nóng)牧業(yè)工作人員可以隨意查詢搜集值和報(bào)警信息內(nèi)容。可以全自動(dòng)或手動(dòng)式控制和調(diào)節(jié)溫度。具備良好的擴(kuò)展性，系統(tǒng)可以橫跨好幾個(gè)點(diǎn)。

3.1硬件配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1.1溫度收集系統(tǒng)

選用了數(shù)據(jù)溫度感應(yīng)器DS18B20。可以將溫度立即轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，根據(jù)充電線與單獨(dú)控制器通訊，不用外界構(gòu)件的方式使得精確測(cè)量溫度范疇為-55 ～ 125，在～ 10 ～ 85的范圍內(nèi)，精確度為0.5，徹底達(dá)到大棚蔬菜的溫度規(guī)定。DS18B20自身早期就已然完善，因而不用進(jìn)一步調(diào)節(jié)，可以直接應(yīng)用，收集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以同時(shí)發(fā)送至單獨(dú)硬盤，進(jìn)而不用應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)化器，提升系統(tǒng)的精確性。同時(shí)應(yīng)用好幾個(gè)DS18B20溫度感應(yīng)器，應(yīng)用程序流程對(duì)好幾條公路開(kāi)展均值。這種數(shù)據(jù)將變的更為精確，并保證精確控制單片機(jī)設(shè)計(jì)需要的數(shù)據(jù)信息。

3.1.2溫度表明系統(tǒng)

顯示作用由數(shù)碼顯示管完成。表明的數(shù)據(jù)信息由單獨(dú)處理芯片并行處理傳輸?shù)綌?shù)碼顯示管，數(shù)碼管表明即時(shí)溫度，可以功能鍵轉(zhuǎn)換別的安全通道。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案了3x4行快熱式電腦鍵盤。鍵盤的表面各自分成數(shù)據(jù)0 ～ 9，*#各自用以前行和倒退，運(yùn)用十位數(shù)的數(shù)據(jù)管路表明溫度。溫度可以準(zhǔn)確到0.1，充分達(dá)到大棚蔬菜的溫度規(guī)定。除此之外，還能夠直接設(shè)定溫度限制。收集的溫度超出設(shè)定的溫度時(shí)，單片機(jī)設(shè)計(jì)推送報(bào)警信息內(nèi)容，發(fā)光二極管開(kāi)啟，無(wú)源蜂鳴器一起傳出報(bào)警，并給予大棚蔬菜溫度檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性[2]。

3.1.3控制系統(tǒng)

2個(gè)AT89C51可用以串口通信，以控制系統(tǒng)的控制數(shù)。該系統(tǒng)可以與此同時(shí)檢驗(yàn)空氣相對(duì)濕度、CO2濃度值、光照度等，與此同時(shí)可以控制別的時(shí)分復(fù)用專用工具。

（1）推送電源電路

應(yīng)用AT89C51的7個(gè)P2端口號(hào)線配備3x4行快熱式電腦鍵盤。2個(gè)數(shù)碼顯示管表明為選中的安全通道。

（2）接受電源電路

根據(jù)串口通信文件格式，推送電源電路傳出的指令可以實(shí)行時(shí)分復(fù)用。運(yùn)用線性光耦方法，控制蔬菜水果屋的電加熱器、二氧化碳產(chǎn)生器、排風(fēng)機(jī)，不影響單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提升系統(tǒng)可靠性。

3.1.4電加熱器控制電源電路

為了更好地簡(jiǎn)單化輸出安全通道的硬件配置構(gòu)造，充分考慮加溫系統(tǒng)自身相對(duì)性比較大的熱慣性力，不容易對(duì)中間繼電器、非觸碰、非相位差、電力網(wǎng)產(chǎn)生影響導(dǎo)致波型失幀。假如只應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)輸出的控制數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)控制電子光學(xué)控制硅的根據(jù)，那么硅控制一瞬間溝通交流相位差是隨機(jī)性的，這就形成了很多高頻率分量，在功率大的電源電路中會(huì)造成環(huán)境污染。開(kāi)關(guān)電源會(huì)直接導(dǎo)致無(wú)線電波影響，很有可能危害其它機(jī)器設(shè)備，也有可能影響控制電源電路，危害系統(tǒng)的常規(guī)運(yùn)作。該系統(tǒng)選用中間繼電器，應(yīng)用原有的零開(kāi)啟電源電路，可在維持中間繼電器優(yōu)勢(shì)的與此同時(shí)完美解決這種問(wèn)題。

3.2控制優(yōu)化算法的改善

為了更好地與此同時(shí)改進(jìn)調(diào)整時(shí)間、超標(biāo)量和靜態(tài)數(shù)據(jù)誤差，將溫度調(diào)整全過(guò)程分成兩部分，當(dāng)具體屋溫避開(kāi)設(shè)定溫度時(shí)，應(yīng)用模糊不清控制的方式減少調(diào)整時(shí)間。貼近設(shè)定溫度時(shí)，根據(jù)PID開(kāi)展控制，降低超過(guò)和靜態(tài)數(shù)據(jù)誤差范疇。

由于系統(tǒng)沒(méi)有冷凍設(shè)備，因此不期待溫度超出。假如超出設(shè)定溫度，請(qǐng)關(guān)掉電加熱器。因而，不用考慮到高過(guò)設(shè)定溫度的誤差[3]。

3.3PID控制

EC應(yīng)用與基本上符合同樣的方式轉(zhuǎn)換PID控制流程，但需要再次調(diào)節(jié)其主要參數(shù)。此時(shí)，主要參數(shù)調(diào)節(jié)的要點(diǎn)是降低超量和靜態(tài)數(shù)據(jù)不正確概率。在PID控制環(huán)節(jié)，假如溫度設(shè)定值的大幅度轉(zhuǎn)變或環(huán)境破壞造成EC損壞，則進(jìn)到模糊不清的控制環(huán)節(jié)。

3.4系統(tǒng)調(diào)節(jié)

關(guān)鍵目標(biāo)是校正溫度精確測(cè)量值，提前準(zhǔn)備設(shè)定主要參數(shù)。系統(tǒng)最后拼裝成功后，數(shù)碼顯示管表明蔬菜水果屋溫度數(shù)據(jù)信息，與溫度計(jì)測(cè)定的數(shù)據(jù)信息對(duì)比存有誤差。調(diào)節(jié)溫度值變換程序流程的主要參數(shù)，通常清除了誤差，但仍然存在最優(yōu)控制誤差。依據(jù)評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)信息明確最優(yōu)控制校準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)MATLAB開(kāi)展系統(tǒng)模擬仿真，借助相同的模擬仿真曲線圖說(shuō)明系統(tǒng)具備較好的控制和追蹤特性，具備較高的溫度控制精密度。這一系統(tǒng)使得風(fēng)機(jī)可以配備頂層電子計(jì)算機(jī)和輔助電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，有利于生產(chǎn)制造的規(guī)范化管理。

結(jié)語(yǔ)：

將當(dāng)代電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)引入溫室大棚，可以精確測(cè)量溫室的溫濕度。自動(dòng)控制亮度、CO2濃度值等環(huán)境要素指標(biāo)值，自動(dòng)控制排風(fēng)機(jī)、水泵、照明燈具等，為植物的生長(zhǎng)給予最好生存環(huán)境，具備使用便捷、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是完成綠色植物生產(chǎn)率和高效率現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要途徑。溫室大棚是我國(guó)農(nóng)牧業(yè)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，溫室大棚的自動(dòng)化管理方法是發(fā)展高效率綠色生態(tài)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必定需要和結(jié)果，推廣溫室大棚的自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)推動(dòng)村民創(chuàng)收、協(xié)助農(nóng)村發(fā)展轉(zhuǎn)型發(fā)展具備關(guān)鍵的實(shí)際意義[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖建尚.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫空大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016（11）;233-243.

[2]王麗雅.大棚溫濕度和光照度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程，2013（4）：48-51.

[3]薄英男，郭輝，張學(xué)軍，等.淺談溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2016（5）：37-39.

[4]黃奇剛，何傳嬌，阮文新，等.溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].輕工科技，2016 （5）：75-76.

作者簡(jiǎn)介：

蘇中豪，男， 浙江省溫州市人，研究方向：自動(dòng)化控制。