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1、托普物联网开创智慧农业新时代！基于单片机的智能温室控制系统的设计1引言设施农业是世界现代农业发展的主要方向之一,我国农业正处于从传统也向高产、优质、高效为目的的现代化农业转化新阶段,设施农业是我国今后比较长的时间内农业发展的一个主要方向。现代大型温室中,室内的温度、湿度、CO2浓度、营养液养分状况等所有环境因子的监测、传感、调节,都由计算机进行综合管理,实行自动控制。国内现有的大多数温室系统是从国外引进的,这些系统一是价格昂贵,二是存在水土不服的问题。国内在温室的自动控制与智能化方面进行了许多有价值的研究,但研制的温室环境调控与生产管理设施未完善配套,较多温室环境监测
2、与控制系统硬件与软件依赖国外进口。因此,开发出符合中国国情的自动化温室系统,才是解决问题的关键。托普物联网研究目标是开发一款基于单片机的温室控制系统,能独立对各个温室模块进行控制。同时也可以和上位机进行通信,接受上位机指令对各个模块进行控制,并把采集的数据传给上位机。2系统组成及工作原理本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等;软件主要完成信号的处理及控制功能等。托普物联网开创智慧农业新时代！图1智能温室系统结构图系统原理结构框图如图1所示,它是一个小型的分布式数据采集与控制系统,是由单片机为核心的下位机和P
3、C机构成的上位机组成的控制系统其中下位机又由相应的传感器(如温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器等)、模拟量输入输出通道、开关量输出通道所等部分组成。下位机既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储任务,又可接受从上位机送来的控制参数设置,启动增温降温、加湿除湿、遮阳补光等调控设备,从而按不同要求调控温室的微气候环境。上位机将下位机送来的数据,及时在线地用动态数据、曲线的方式显示起来,并储存在相应的数据库中,一般可以保存一个生长季节的数据,对存储起来的数据,按研究需要,进行分析、统计,可显示、打印成表格或曲线或直方图,同时也向下位机传递控制。3硬件构
4、成托普物联网开创智慧农业新时代！3.1系统控制器控制器是系统的核心,主要用于现场实地检测及控制,完成数据处理。每个控制器都有自己的显示、键盘系统,可以独立于上位机来控制和调整系统的运行状态。显示系统提供系统设备运行参数,系统设备状态等菜单,可以通过操作键盘来调整参数,这样使系统可以脱离PC机运行。由温室内各传感器采集到的数据通过总线传输到上位机,利用其丰富的指令进行数据处理,再通过RS232／RS485转换器传输给下位机和执行机构动作,完成各项控制功能。3.2测量模块测量模块实现了对温室的环境温度、湿度、光照和二氧化碳的测量。测量模块通过传感器把各种环境因子非电量转换
5、为电量,通过信号整理电路把电信号线性化、放大滤波为0V的标准信号,传输至核心控制模块,然后通过A/D转换器对信号进行模数转换,将数字量送入单片机。3.2.1传感器信号检测电路系统通过各种传感器对温室内的温度、湿度、CO2含量及养分的PH值进行实时数据采集,并将测量结果通过接口送至上位机中,上位机根据控制要求对整个温室进行综合控制。为了增强下位机采集子系统的抗干扰性、简化信号接口,系统优先选用数字输出信号传感器,CO2浓度、EC值、PH值等模拟信号传感器均选用标准40mA输出,模拟信号经多路模拟开关选择后送模数转换器转换,转换后的数据以并行方式送单片机处理。本系统中温度
6、测量采用温度传感器PT100.1实现,该传感器测量精度高、线性度好,测量范围-40-450℃,测量精度为士0.1℃。湿度测量采用湿度传感HS15W-DL-L实现,测量范围0-100%RH。测量精度为士3%RH。光照测量采用光电池实现,测量范围0-100光照单位,测量精度为士3光照单位。二氧化碳测量采用二氧化碳传感器GS-160实现,该传感器测量精度高、线性度好,测量范围0-l00PPM,测量精度为士3PPM。3.2.2A/D转换由于单片机只能处理数字信号,所以由传感器采集的温室内光照、温度、湿度、PH、EC等模拟量,需要经过A/D转换,才可输入单片机。A/D转换电路种
7、类很多,在选择A/D转换器时,主要考虑以下技术指标:托普物联网开创智慧农业新时代！转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。对于本控制器,选择的A/D转换芯片为TLC1543。连接图如图2所示,在本设计中TLC1543主要用来采集温室内的温度、湿度、热水的进出口温度、以及天窗、侧窗开启的角度。图2TLC1543的连接3.3通信模块由于系统要求控制器不仅能够独立工作,而且能够与上位机进行必要的数据传输,所以需要进行通信接口电路设计。当PC机与下位单片机距离介于20m到2Km之间时,不能直接采用RS-232,可采用RS-485。在本控制
