温室大棚智能温湿度控制系统的设计与实现

2011-07-10李丽丽

湖南农业科学 2011年21期

李丽丽，施伟

（辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁阜新 123000）

随着经济和社会的快速发展，人们的生活水平也在不断地提高，对各种反季节蔬菜的需求量越来越大。反季节蔬菜的种植，主要借助温室大棚为蔬菜生长提供一个合适的温湿度环境[1]。由于不同蔬菜作物的适宜温度和湿度不同，且需要稳定在一定的范围内。仅仅依靠人工管理会出现调节不及时、不准确等问题，不仅影响蔬菜正常生长，同时也会造成人力资源的浪费[2]。因此，需要一种能对大棚温湿度检测有足够精度，并能实时控制的系统来代替人工操作，同时尽可能有较低成本。

根据以上要求，笔者针对温室大棚的分布和各种作物生长的特点，采用PID算法设计了一套温湿度控制系统，该系统能实现多点温湿度数据的采集、处理并实时显示，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境参数，使农作物达到优质、高产的目的。系统操作简单、容错能力强且容易扩展，具有较高的实际应用价值。

1 系统总体设计

温室大棚的温湿度控制系统首先是一个实时性系统，需要传感器的各种测量数据能及时的显示，同时，监控系统又是一个多点检测系统，需要在不同的点布置传感器，这些传感器要通过总线连接，并实现与上位机的数据传输。从总体上讲，分为上位机和下位机系统。上位机是总的控制和显示系统，其通过可扩展的总线和RS-485与物理上分布在不同位置的第二级下位机系统（包括各种传感器的感应模块）连接。系统在即时性、可靠性、安全性等方面都有特定的要求，其要实现的目标如下：（1）对大棚内的温湿度参数进行实时采集，测量棚内多个均匀分布点的温湿度，由温湿度传感器进行温湿度采集，MCU对各个传感器采集的数据进行循环检测、传输。（2）超限数据报警。（3）通信系统应有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力，与MCU通信应具有远距离传输功能，采用RS485通讯方式。（4）系统技术指标如下：测量温度范围为-20～100℃；测量温度精度±0.1；测量湿度范围 0～100%；测量湿度精度±2.5。

硬件方面采用模块化设计，每一个模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起。这种设计方法可以降低系统设计的复杂性。系统硬件电路由温湿度传感节点、LCD显示、温湿度控制、报警模块、看门狗、键盘模块组成。其系统总体结构如图1。

图1 系统体系结构

2 系统详细设计

2.1 下位机系统设计

2.1.1 MCU 该系统采用AT89S52单片机作为整个系统的控制核心[3]。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

2.1.2 温湿度传感器充分考虑系统的精度和大棚环境需要的抗腐蚀性，选择温湿度传感器SHT10。他是SENSIRION公司生产的SHT1x系列数字温湿度集成传感器的一种，SHT1x系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括一个电容性聚合体湿度敏感元件，一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在OTP内存中，在校正的过程中使用[4-5]。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。单路SHT10传感器连接如图2。

图2 单路SHT10连接

2.1.3 键盘为了满足使用需要，设计了一个6键的键盘，从键盘可以输入测量温度和湿度的上下限以及灌溉时间，此键盘操作简单灵活，易于上手。其中5个引脚分别与单片机上的5个端口相连，并有一个电源接口。S3与S6分别为湿度控制调整的上限与下限按钮，S5与S2分别为温度控制调整的上限与下限按钮，S4与S1为时间控制调整的上限与下限按钮。

2.1.4 湿度控制电路温湿度控制电路是设计的重要部分。首先介绍湿度控制电路，湿度控制电路如图3所示。当土壤湿度低于设定值，P1.5输出高电平，反向后为低电平，SSR1交流触点接通，交流接触器1线圈得电，接通水泵电机，开始浇水，直到指定湿度；当检测的空气湿度超过设定值，P1.6输出高电平，反向后为低电平，SSR2交流触点接通，交流接触器2线圈得电，接通换气扇，空气湿度达到设定值后换气扇停止工作。

图3 湿度控制电路

2.1.5 温度控制电路根据系统用户预先设定的温度值，对温室大棚内部的温度进行实时控制。该模块硬件部分由过零检测电路和PID控制电路两部分组成，具体电路图4所示。过零检测电路由D1～D4这个二极管组成，当交流电通过零点时，触发外部中断0，提供加热的同步处理信号。PID控制电路由加热电阻、双向可控硅等组成的阻容浪涌电压吸收电路组成。作用是控制执行主机送来的控制信号，通过PID算法改变系统加热的速度。

图4 PID温度控制模块电路

2.1.6 看门狗保护电路针对现有的农业控制系统会因为工作环境复杂而出现程序跑飞的问题，专门设计了一个看门狗保护电路。看门狗定时监视微处理器的工作，如果在1.4 s内，处理器不改变WDI电平，RST引脚将变为高电平，处理器则被复位。硬件电路如图5所示。图中单片机的P1.0为X5045提供片选信号和看门狗复位信号，P1.1接收X5045的串行数据，外部频率发生器提供串行时钟，P1.2向X5045发送串行数据，X5045的RST引脚输出看门狗溢出信号，与单片机的RESET引脚相连，用于处理器的复位。

图5 看门狗电路

2.2 上位机系统设计

该系统上位机程序采用Keil C编制[6-12]，由主程序和子程序组成。主程序主要实现系统硬件的初始化，实现预定功能，维持大棚智能温湿度控制系统的正常运行。子程序主要实现各个功能，包括温湿度范围和时间设定子程序、LCD显示子程序、时钟子程序、温度采集子程序、湿度采集子程序、PID控制子程序、键盘子程序、报警子程序。这里着重介绍一下程序设计中的难点PID温度控制子程序。该系统所用的是数字PID中的增量式PID控制算法，执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量。增量式PID控制算法公式为：

其中，ei为本次差值，ei=设定值-实际值；ei－1为上次差值；ei－2为上上次差值；k为比例系数；T为采样周期；Ti为积分时间；Td为微分时间；T/Ti为积分系数；Td/T为微分系数；△Ui为调节量。程序流程图如图6所示。

图6 增量式PID控制算法流程

3 系统测试

系统测试安排在辽宁阜新农业示范园区进行，测试时间为2010年12月1日至31日，为期1个月，测试对象是面积为500 m2的番木瓜大棚。温度控制范围27～30℃，控制精度±1℃，空气湿度控制范围60%～70%，控制精度±2。在大棚的不同区域悬空设置了8个温湿度采集点，每隔1 min进行一次温湿度采集，采集的数据经串口采用485协议送入MCU，由MCU将每10次采集数据取平均值与设定的温湿度进行比对，如环境参数不在设定值范围内，则由MCU发出控制指令打开喷灌设备开关或调节电热功率。由于实际条件的限制，系统未连接排风设备，短信报警功能也未能测试。

以12月15日为例，说明该智能温湿度控制系统的使用性能。12月15日辽宁阜新市由于寒流影响，室外气温从前一天的7～-10℃，降至-1～-15℃，是系统测试期间室外温度变化最大的一天，也是测试系统稳定性和控制精度的最好时间。将该日7∶00～12∶00系统控制并采集的温湿度的平均值与经过ZZ1-635-1型温湿度计采集的实际温湿度进行对比（见表1），得到测试结论如下：

（1）系统控制温湿度范围一直保持在设定范围以内，相邻小时间温湿度变化较平缓。

（2）温度最大误差为-1.8，湿度最大误差2，达到系统控制精度±2的要求。系统采集温湿度普遍低于实际情况，可能是由于温湿度传感器内部电桥不平衡而引起的误差。