ZJK-1型智能温室调控系统的设计及应用

钱 蕾，官雪芳，黄菊青，方桂友，林 斌，徐庆贤*

(1.福建省农业科学院农业工程技术研究所 350003；2.福建省农业科学院畜牧兽医研究所)

2017-07-03

钱蕾，女，1972年生，助理研究员。

*通讯作者：徐庆贤，男，1979年生，副研究员

(E-mail:xqx591@126.com)。

资金项目：福建省自然科学基金(2013J01103)；福建省科技计划项目——省属公益类科研院所基本科研专项(2014R1015-12, 2017R1023-2)。

ZJK-1型智能温室调控系统的设计及应用

钱 蕾1，官雪芳1，黄菊青1，方桂友2，林 斌1，徐庆贤1*

(1.福建省农业科学院农业工程技术研究所 350003；2.福建省农业科学院畜牧兽医研究所)

根据温室设施农业的环境数据监测与环境控制需要，设计了一套以LJD-51-XA+单片机为控制核心的智能监控系统，该系统综合运用传感器技术、自动检测技术和通信技术等手段，实现对温室的温度、湿度、光照度、CO2浓度的采集、存储、显示、监测和控制。该智能监控系统运行稳定，测量结果准确可靠，扩展性强，可以满足监测控制要求。

温室；数据采集；LJD-51-XA+；环境因子；智能控制

温室环境控制的重点是针对土壤和空气中的光照、CO2浓度、温度和湿度等要素进行调控与管理[1-2]。作物生长过程中受到众多环境因素的影响制约，这些环境因素之间也相互影响和相互制约。由于单因子温室智能控制只针对某一因素进行控制，不考虑其他因素的变化和影响，因而其控制的局限性比较明显，只有采取多因子温室智能控制，才能达到环境因素的优化组合，可不同程度弥补单因子温室智能控制的缺陷。因此，笔者根据温室设施农业环境数据的监测与环境控制需要，设计了一套以LJD-51-XA+单片机为控制核心的多因子智能监控系统，该系统综合运用传感器技术、自动检测技术和通信技术等手段，实现对温室中的温度、湿度、光照度、CO2浓度的采集、存储、显示、监测和控制，以沼气为能源实现温室温度和CO2浓度的控制，实现了温室大棚低成本、高效、高产的可持续运营。

1 ZJK-1型智能温室控制特点及系统构成

智能控制系统能够对温室环境进行实时监测，并将测得的参数进行比较后作相应的调整。ZJK-1型智能温室控制系统是由三个部分组成：

一是信息采集信号输入部分：室内外的温度、湿度、光照及CO2浓度等；

二是信息转换与处理部分：采集的信息转换成计算机可以识别的标准量信息进行处理；

三是输出及控制部分：输出决策的指令，控制喷雾系统、风机、遮阳系统及灯的开关等系统。

2 ZJK-1型智能温室自动控制系统的功能设计

智能温室自动控制系统总体结构主要分为：上、下位机部分，数据采集及测量部分，执行部分。主程序流程如图1所示。

图1 主程序流程

2.1上位机部分

上位机系统选用个人计算机，主要用于记录每天的各种采集数据，实时显示及修改各种控制数据，进行系统控制及通讯。系统应用可用VC(可视化语言)作为开发工具，不但可以实现多输入、多输出、大滞后的非线性控制变量，还能实现实时、有效的可视化界面。通过分析下位机传上来的数据，调节灯、喷雾器、通风等开关，使智能温室环境达到作物生长要求的条件。

2.2下位机部分

下位机系统选用单片机和DSP(数据通信信号处理机)。主要用于智能温室环境因素检测及控制，完成数据处理，同时将控制及测量结果传到上位机，并接受上位机指令。

系统选用的单片机为LJD-51-XA+单片机。LJD-51-XA+是一款带下载调试软件和在线测试软件的控制板，带128K SRAM、2路独立的标准RS232/RS485串行接口、40路标准可编程I/O口、8路12位高速A/D、1路10位D/A输出、LCD液晶接口、键盘/显示接口和打印机接口，能满足该系统的要求。

利用上位软件，由温室内各传感器采集到的数据通过总线传到上位机，再通过RS232/485转换器传输给上位机和执行机构完成各项控制功能。

2.3数据采集及测量部分

通过测量及采集各种高性能传感器的环境数据，对智能温室内的温湿度、CO2含量及光强进行实时数据采集，并将测量结果通过接口输送至上位机中，上位机根据控制要求对整个智能温室进行综合控制。

2.4执行部分

执行部分包括CO2施肥机、分机、加热机，水暖混水调节控制、灯光补光设备，通过上位机输出的控制信号驱动执行机构以实现上述功能。各执行部件的限位开关的常闭点都接在电机线路里，用常开点作为上位机的输入信号，可以保证执行机构的安全。

3 ZJK-1型智能温室自动控制系统的工作原理

3.1智能温室自动控制系统的特点

两种现场数据显示方式：可以在现场通过LCD屏看到实时数据显示，也可以通过远程计算机看到采集数据。

采用RS485通讯：方便现场安装，通讯距离较远，方便系统扩展。

采用单总线结构：将数据线接到单总线上就可以连接硬件，而且易于扩展其他传感器。

3.2智能温室自动控制系统的工作原理

智能温室自动控制系统工作原理如图2所示。

采用目前通用的STC89C52作为CPU中央处理器，负责采集温湿度传感器、CO2传感器、光强度传感器数据，将采集到的数据显示在LCD屏上，同时通过RS232转换485模块将数据传送给上位机。另外，该处理器通过光电隔离器件及继电器驱动执行机构包括排气扇、喷雾器、沼气阀、电加热器、荧光灯等。

PC即个人计算机是本系统的另外一个核心，它不但负责显示下位机传上来的现场数据，而且根据数据做出决策，将需要让执行机构动作的命令通过485给处理，这样就完成了整个智能控制。LCD屏主要用来分时显示温湿度、CO2、光强度以及执行机构所处的位置，显示时间间隔约5 s，适合大部分人的眼睛反应。

图2 ZJK-1型智能温室调控系统原理方框图

4 ZJK-1型智能温室自动控制系统生产示范应用

利用本方案建成的智能控制系统温室(塑料大棚生态温室)位于福建省福州市闽侯县荆溪镇福建省农业科学院种猪场，面积160 m2，智能温室中设置10盏沼气灯。

该智能温室以基地猪场沼气工程所产生的沼气为能源，为温室点沼气灯增加作物光照时数，点灯同时提供CO2气肥，并增加温室光照度，增强作物光合作用，结合应用微机“单片机”实现对温室中光、温、湿、CO2浓度等环境因素的调控。

本试验智能温室内种植番茄。设计要求冬季棚内最低温度不低于8℃，光照度大于100 lx，夜间照明10 h，湿度不小于65%。

以沼气为能源，通过智能控制系统对塑料大棚生态温室进行调控，调控对比如表1。

表1 塑料大棚生态温室夜间调控对比

注：①试验数据为2013年12月20-29日10 d测定数据的平均值，温度、湿度、光照度测定为棚内、外各取10个点测得的平均值；②由于探头出现问题，CO2浓度没有测出。

5 能耗分析

同样条件的大棚，以电加热为能源，如果每天照明10 h，需要耗电100 kW，每千瓦时按市价0.6元计算，每天需花费60元；而以沼气为能源的生态大棚，只需要耗费智能监控系统的耗电(约5 kW)，费用仅3.0元。在福州地区，年需加热时间约5个月，则年可节约电费8550元。

6 结诘

ZJK-1型沼气智能温室调控系统为多因子控制型综合控制机，采用先进的嵌入式控制技术，运行速度快，可以实时采集多路传感器，综合分析数据，自动处理结果，以优化的方式控制温室内设备的运行，既为作物的生长创造了适宜的环境，又能显著降低能耗成本，是高效农业发展的一个方向，无论是对新建或改造智能温室都有很好的应用前景。

[1]李亚迪,苗腾,朱超,等.北方日光温室智能监控系统的设计与实现[J].中国农业科技导报,2016,18(5):94-101.

[2]刘石磊,刘宝刚.基于CC2530的温室智能监控系统设计[J].机械制造与电气化,2014, 3(6):184-187.

ThedesignandapplicationofZJK-1intelligentgreenhousecontrolsystem

QIAN Lei1, GUAN Xue-fang1, HUANG Ju-qing1, FANG Gui-you2, LIN Bin1, XU Qing-xian1*

(1.AgriculturalEngineeringTechnologyResearchInstituteofFujianAcademyofAgriculturalSciences,FujianProvince350003; 2.InstituteofAnimalHusbandryandVeterinaryofFujianAcademyofAgriculturalSciences)

According to the need of environmental control and environmental data monitoring of greenhouse facility agriculture, an intelligent monitoring system taking LJD-51-XA+ Single chip microcomputer as the control core was designed. The system integrated with sensor technology, automatic detection technology and communication technology, achieved the goals of data collection, storage, display, monitor and control to temperature, humidity, light intensity and CO2concentration in greenhouse. The intelligent monitoring system runs stably, the measurement results are accurate and reliable, and the expansibility is strong, which can meet the requirements of monitoring and control.

Greenhouse; data acquisition; LJD-51-XA+; environmental factors; intelligent control

10.13651/j.cnki.fjnykj.2017.07.004

(责任编辑：黄金泽)