徐　璜　崔秋實　黃　英　嚴(yán)　殊　劉光德

摘要：文章針對溫室作物的生長特性和環(huán)境因素的變化規(guī)律，設(shè)計了一個智能溫控模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩個特點：一是利用ADuC841芯片作為主控，使外圍電路簡單，系統(tǒng)智能程度較高，運行時性能穩(wěn)定；二是加入了節(jié)能的新構(gòu)思。

關(guān)鍵詞：智能溫控；人工智能；新型節(jié)能；能源轉(zhuǎn)換

中圖分類號：S625.2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）02-0052-03

隨著社會的進步和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，許多產(chǎn)品對生產(chǎn)和使用環(huán)境的要求越來越高，人們對溫度、濕度、光強、二氧化碳濃度、灰塵等環(huán)境因素的影響越來越重視了。為此，以農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展為目的開發(fā)一種智能控制系統(tǒng)即符合國家當(dāng)前政策又順應(yīng)智能化研究趨勢。就目前國內(nèi)的發(fā)展情況看來，它的應(yīng)用范圍還是很廣泛的，例如：糧倉溫室控制系統(tǒng)，自動窗簾，大棚蔬菜生產(chǎn)，儲藏室等等。

溫室系統(tǒng)的發(fā)展大概經(jīng)歷了四個階段：起初是手工階段，環(huán)境控制就是根據(jù)種植者的經(jīng)驗以避免一些環(huán)境惡劣的情況。隨后，機械設(shè)備取代了手工，溫室中幾乎都開始安裝這種環(huán)境控制盒。在20世紀(jì)70年代，計算機系統(tǒng)取代了環(huán)境控制盒系統(tǒng)。智能溫控是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)，計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。

一、智能化溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)

現(xiàn)代的智能溫控系統(tǒng)一般分為：數(shù)據(jù)采集模塊，主控模塊，驅(qū)動模塊，顯示模塊，功能模塊。

（一）系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成，硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉(zhuǎn)換、各種信息的顯示等；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。

圖1 智能溫控系統(tǒng)框圖

該測控系統(tǒng)不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護性按照芯片的說明連接，多個傳感器也可以用一個A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，用分時選通分時轉(zhuǎn)換就行。其工作原理是MCU分時查詢各傳感器的輸出信號，然后MCU對輸入信號進行相應(yīng)處理后通過顯示模塊輸出，同時還可輸出各種報警信號。

1．軟件實現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、控制驅(qū)動子程序等六大模塊組成。軟件設(shè)計使用了protues仿真軟件主要負(fù)責(zé)各個模塊的仿真、ilc51和ICCAVR編輯器，負(fù)責(zé)單片機的軟件調(diào)試生成HEX文件、VC++負(fù)責(zé)用戶界面的軟件實現(xiàn)。給出了詳細的功能說明和流程圖。系統(tǒng)實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的顯示、存儲、查詢、統(tǒng)計、控制等。通過控制不同時期作物生長所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了溫室的智能化管理，具有操作簡便、自動化程度高和良好的人機交互功能，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

2．硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：MCU、傳感器模塊、A／D轉(zhuǎn)換器、顯示模塊、驅(qū)動模塊等。主控模塊： MCU主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能；數(shù)據(jù)采集模塊包含：溫度/濕度等傳感器完成信號的采樣功能，A/D轉(zhuǎn)換器主要完成模／數(shù)的轉(zhuǎn)換，存儲器主要完成程序和數(shù)據(jù)的存儲；顯示模塊：液晶顯示器，完成字符、數(shù)字的顯示功能。驅(qū)動模塊則主要以直流電機和繼電器為主。功能模塊：風(fēng)扇、遮陰及節(jié)能棚、制熱器等。

整個系統(tǒng)以單片機為主控，以及PC機為輔助工具來實現(xiàn)的。PC機負(fù)責(zé)設(shè)定和顯示的各類的環(huán)境參數(shù)并通過串口把相應(yīng)的指令送到單片機中，單片機便立即執(zhí)行PC機發(fā)出的命令，施行數(shù)據(jù)的存儲、分析、管理以及外電路的控制，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

3．傳感器

（1）溫度傳感器。采用AD590，因為流過AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時，輸出電壓VO隨溫度的變化為1mV/K。測量地表溫與土溫也可以用AD590集成溫度傳感器。由于傳感器探頭要插入土中，所以要將傳感器及變換電路封裝在金屬探棒中。金屬探棒可以起到防水、防腐的作用。又因為金屬的導(dǎo)熱性好，所以金屬探棒不會影響傳感器對溫度的測量。

（2）濕度傳感器。采用IH3605電容式集成濕度傳感器。其輸出電壓較高且線性較好。尤需進行信號放大和信號調(diào)整，可直接進行A／D轉(zhuǎn)換。

（3）光照強度傳感器。本系統(tǒng)選用北京林業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的光量子傳感器，主要由感應(yīng)元件和匹配濾光片系統(tǒng)組成。感應(yīng)元件選用硅太陽能電池，在太陽輻射作用下產(chǎn)牛的光電流與輻射強度成線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)的硅光電池的光譜響應(yīng)在400nm～1100nm的范圍，峰值波長為800nm。光量子傳感器是一種靈敏的藍色硅電池，在近紅外區(qū)域700nm～1100nm只有相當(dāng)?shù)偷捻憫?yīng)，而在可見區(qū)域400～700nm比一股硅電池的響應(yīng)卻要高得多，峰值響應(yīng)在550～650nm之間。光量子傳感器在光的照射下，輸山變化十分微弱的電流信號（約幾個微安）。所以光合有效輻射的檢測電路應(yīng)選用低漂移，共模抑制比高的集成運算放大器。放大電路采用電流一電壓變換放大電路。

（4）C02濃度傳感器。C02濃度傳感器選用紅外線氣敏傳感器。其測量范圍寬，達-2000ppm，檢測精度可達15％?？梢赃x用這種方法來監(jiān)測溫室空氣中C02的濃度。

（5）土壤水分傳感器。選用TDR-3型土壤水分傳感器。TDR-3土壤水分傳感器可測量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機理無關(guān)，是目前國際上最流行的土壤水分測量方法。TDR-3型土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。

4．A/D轉(zhuǎn)換器

選用MAX191，MAX191與微處理器接口簡單，使用方便、靈活，12位分辨率，同時它有很高的轉(zhuǎn)換速度。采集模塊的傳感器將檢測到的不同環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓量，通過A/D轉(zhuǎn)換器后與設(shè)定的值比較，如果有變化則判斷行位置的開關(guān)狀態(tài)也會發(fā)生變化，當(dāng)單片機中斷引腳上接收到高電平時，便開始執(zhí)行中斷響應(yīng)。不同的中斷設(shè)定了相應(yīng)的驅(qū)動程序來驅(qū)動功能模塊。由于功能模塊多而單片機的外部中斷少，因而我們也采取單片機通信，通過判斷發(fā)送的信號來進行相應(yīng)的環(huán)境因子的控制。例如，將一種環(huán)境參數(shù)的變化狀態(tài)傳入任意一個I/O端口。當(dāng)主程序檢測到變化信號時，自動跳轉(zhuǎn)運行雙機通信的子程序，達到多樣化的控制方式。

在測量過程中，由光柵發(fā)出的脈沖信號觸發(fā)MCU中斷，單片機每響應(yīng)一次中斷，啟動MAX191進行A/D轉(zhuǎn)換，采集數(shù)據(jù)，并通過RS-232接口把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行處理，計算機軟件采用Visual Basic編寫。

5．44780顯示模塊

本系統(tǒng)采用44780驅(qū)動的LCD，HD44780（KS0062）是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規(guī)模點陣LCD控制器（兼帶驅(qū)動器），和4bit／8bit微處理器相連，它能使點陣LCD顯示大小寫英文字母、數(shù)字和符號等豐富的信息，同時有較強的通用性應(yīng)用，使用方便，用戶能用少量元件就可組成一個完整點陣LCD系統(tǒng)，送入相關(guān)的數(shù)據(jù)和指令即可實現(xiàn)所需的顯示。

44780顯示模塊有8條數(shù)據(jù)線，3條控制線，可與微處理器或微控制器相連，通過送入數(shù)據(jù)和指令，就可使模塊正常工作。

由單片機去控制數(shù)字顯示器，顯示溫室大棚內(nèi)的實際參數(shù)。一旦該參數(shù)值超過我們預(yù)先設(shè)定的上、下限，單片機便啟動報警系統(tǒng)進行報警，進而對大棚內(nèi)參數(shù)進行相應(yīng)控制。這種設(shè)計方案能對不同環(huán)境參數(shù)進行分時檢測，各檢測單元能獨立完成各自功能，同時能夠根據(jù)主控機的指令對參數(shù)進行定時采集，測量結(jié)果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機串行口，通過RS-485總線及通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到計算機，進行進一步的存檔、處理。主控機負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送，控制各個從機進行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，并對測量結(jié)果（包括歷史數(shù)據(jù)）進行整理、顯示和存儲。

電機調(diào)速利用單片機內(nèi)部的定時器延時，配合軟件產(chǎn)生脈沖調(diào)制波（PWM），即導(dǎo)通和截止的比例的變化導(dǎo)致電機兩端的電壓變化來實現(xiàn)電機的調(diào)速。驅(qū)動部分要解決的問題是功率放大和隔離，由驅(qū)動芯片LN298構(gòu)成外圍電路，可與單片機直接連接，對小功率直流電機具有很好的驅(qū)動和控制能力，并且效率高、能耗低、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)等特點，而智能調(diào)節(jié)的重點就是根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化來調(diào)整PWM。再通過電流繼電器控制相應(yīng)功能模塊工作，當(dāng)電流過小或過大時，它檢測到這種電流信號后便控制電動機的啟停。

（二）節(jié)能實現(xiàn)以及電源的切換

1．太陽能發(fā)電與節(jié)能的實現(xiàn)

眾所周知，一般型大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或研究基地，有著得天獨厚的自然資源（太陽能，水能），但在能源供給（電能）方面投入了大量的人力、物力。因此如果以自然資源的轉(zhuǎn)換來減少人力和物力的投入，那么系統(tǒng)的研究將走在時代的前列。

考慮到太陽能資源的豐富，本系統(tǒng)將功能模塊的遮陰棚以特殊的材料制作，來達到太陽能發(fā)電的目的。太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。

光—熱—電轉(zhuǎn)換方式：通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程。

光—電直接轉(zhuǎn)換方式：該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。

圖2節(jié)能構(gòu)想系統(tǒng)框圖

太陽能發(fā)電節(jié)能而又環(huán)保，用于溫控系統(tǒng)的電源供給體現(xiàn)了“新型”這一理念。我們擬用了兩種發(fā)電方式，在光—熱—電轉(zhuǎn)換方式中可以將一部分的熱能用以熱能供給，同時也充分的利用了灌溉水。除此，我們設(shè)想還可以利用風(fēng)力來帶動發(fā)電機，這樣在多云天氣（光照弱）的情況下系統(tǒng)照樣可以有足夠的能源供給的保障。

2．電源的切換

一般大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，有完善的供電系統(tǒng)但耗電量大成本及能源的損耗大。因此對民用供電系統(tǒng)和蓄電池電量進行跟蹤檢測。當(dāng)蓄電池由于天氣等外界因素的影響而電量不足20%（根據(jù)實際耗電量設(shè)定這個百分比）則切換為民用電。反之，在停電或其他社會因素導(dǎo)致民用供電系統(tǒng)不穩(wěn)定時，則切換太陽能蓄電池。

針對本系統(tǒng)節(jié)能的特色，正常情況下一般采用蓄電池供電。

二、結(jié)語

本系統(tǒng)針對溫室控制的智能化和自動化進行了研究，以及對溫控系統(tǒng)的節(jié)能和電源供給的拓展和構(gòu)想，順應(yīng)了智能化、節(jié)能化、環(huán)保化的趨勢。新型的智能溫控系統(tǒng)體現(xiàn)了資源的良性循環(huán)利用。由于實際的系統(tǒng)龐大復(fù)雜，我們將代表性的設(shè)想以實物的形式進行模擬、驗證及調(diào)試，實驗結(jié)果表明智能控制部分大體已實現(xiàn)，對于拓展部分有很高的研究價值。

參考文獻

[1]聶毅，聶暉．植物溫室單片機控制系統(tǒng)[J]．微計算機信息，2002．

[2]王毅，白澤生．智能溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計及其仿真[J]．微計算機信息，2008．

[3]譚偉，徐玲．智能溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計及其仿真[N]．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008．

[4]劉永華，王念春，陳愷亮．智能溫室自動控制系統(tǒng)的研究與介紹[J]．計算機與信息技術(shù)，2008，（8）．

[5]邊春遠，王志強．單片機應(yīng)用開發(fā)實用子程序[M]．北京:人民郵電出版社，2005．

基金項目：大學(xué)生創(chuàng)新基金，基金編號：SWUST-CX

081078。

作者簡介：徐璜（1987- ），男，江蘇揚州人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：計算機通信；崔秋實（1986- ），男，山東淄博人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：電氣工程；黃英（1986- ），女，四川瀘州人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：數(shù)字媒體；嚴(yán)殊（1956- ），男，四川綿陽人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，博士，研究方向：計算機控制，控制理論；劉光德（1956- ），男，四川成都人，西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心高級實驗師，研究方向：智能儀器儀表。