基于光伏供电的温室智能控制系统设计

秦 栋，李志强，黄 毅，田烁杰，王玉栋，任 玲

（石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000）

0 引言

温室作为现代农业的重要产物，受到农民的热烈欢迎。近几年，随着科技的蓬勃发展和智慧农业的出现，温室大棚对其自动化、智能化的要求越来越高[1]。但国内温室大棚技术较国外起步较晚，技术发展较慢，机械化、自动化程度较低。据调研，我国目前大部分地区温室智能化水平较低，且存在数据检测不精确，灌溉、遮阳、通风等大多依靠人工，测控精度低且不及时，劳动强度大，成本高的情况，单靠人工远远无法提高农业生产的效率。

因此，针对目前国内普遍的温室大棚生产种植情况, 本文设计了一种基于单片机的综合测控系统，实时监测温室内的部分参数，满足温室作物生长的需求[2]，改变种植“经验论”，提高产量。

1 总体设计方案

1.1 系统概述

本设计是基于单片机的温室智能控制系统，对温室大棚进行实时监测调控，同时采用光伏技术为单片机主控单元的工作提供能源。本设计主要的组成部分有主控单元模块、电源模块、数据采集模块、人机交互模块及执行模块。主控单元模块采用STC89C51 单片机主控单元芯片对采集的数据进行分析、处理、比较、判断；电源模块采用分布式光伏发电技术为系统的主控单元模块的工作提供电能；数据采集模块用多种传感器实时检测温室内的参数[2]；人机交互模块采用LCD1602 液晶显示屏、键盘及报警单元实现系统的参数显示、设定值的输入及警示；执行模块采用继电器、电磁阀或彩灯代替实际执行机构，进行模拟测试。

1.2 系统设计原理

首先传感器采集各种参数，发送给89C51 主控单元模块进行分析、处理、比较和判断，得到修正量数据，驱动的继电器控制相应的电磁阀或电机工作，调控温湿度等参数达到设定值左右，实现对温室内环境参数的调控[3]，同时将温室内的几种基本环境参数实时显示在大棚内的显示屏上。系统结构图如图1。

本设计利用自动控制的原理，调节温室大棚内的各项参数，以此实现提供作物优良的环境来生长。在本文设计的系统中，可以完成参数的采集工作以及处理显示工作，向单片机内传入空气中的光照强度、二氧化碳浓度以及土壤的温湿度等参数，然后与设定值进行分析比对，发布指令驱动执行模块对偏移量进行修正，使大棚各种参数始终在适合作物生长的范围内。

2 系统硬件设计

2.1 采集模块

2.1.1 温湿度采集模块

本设计采用的温湿度传感器的型号为DHT11，其温湿度测量范围适宜，输出为数字量信号值，并且其内部的量程标定已校准。其数据输出口与单片机P2．2 口相接。

2.1.2 光照强度采集模块

选择光敏电阻来测量光照强度，入射光越强，电阻越小；反之电阻越大。在本设计中，在光敏电阻支路中还需串联一个10 千欧的电阻起限流保护的作用，VCC 接+5 V 电源。再经A/D 转换模块将光敏电阻输出的信号变为数字信号之后与单片机P1．1 口连接，再由单片机读取处理，划分相应的光照等级。

因为系统采样的数据仅为一个电压值，对采样速率没有太高的要求，而且串行ADC 电路简单，占用I/O 口少，所以模数转换器选择使用ADC0832，光照强度采集模块的原理如图2。

2.1.3 二氧化碳采集模块

本系统采用的二氧化碳传感器的型号为MG811，模拟量电压输出范围为0～2 V，而且CO2浓度越高，传感器输出电压越低，反之CO2浓度越低，传感器输出电压越高。最后通过A/D 转换模块得到标准的电压信号，单片机将获取的电压数字信号处理转化为CO2浓度数据。

2.2 人机交互模块

本系统中人机交互模块由按键输入模块、显示模块和警示模块等部分组成。显示模块可以显示温度、湿度、光照强度和CO2浓度等数据；输入模块用于对各个参数上下限的设置；警示模块用于当棚中CO2浓度过大时的警报和人员靠近的警报。

2.2.1 显示与输入模块

显示模块选用LCD1602 液晶屏，它可由单片机I/O 口接上拉电阻后直接驱动，对本次设计中的温度值进行显示。

输入模块选用线性键盘，主要实现对各个参数的上下限进行调节。其功能包括：开启参数设置、数据加1、数据减1、保存和退出设置，所以该线性键盘至少包括4 个独立按键。

2.2.2 警示模块

本系统警示模块选用自激蜂鸣器坐警示模块，该蜂鸣器是直流电压驱动，驱动口在输出驱动电平后，驱动电流通过放大电路放大后就能使蜂鸣器发出报警声音。可以由单片机直接驱动，可通过改变单片机引脚输出电平的占空比来控制蜂鸣器的声音大小。

2.3 电源模块

本设计中的弱电控制部分所需电能全部由分布式光伏发电系统提供。弱电部分所需电源功率小，仅通过光伏发电即可满足弱电系统部分供电要求。

2.4 执行模块

执行模块由继电器模块组成，通过单片机I/O 口控制大功率器件的工作状态。

执行模块在单片机检测到相应环境参数后单片机驱动相应输出机构工作，以维持大棚内参数恒定（图3）。

整个执行模块强电电路主要包括卷帘电机、加湿器、加热器、风机电机、补光灯以及CO2产生器的驱动控制。其控制过程如下：单片机输出卷帘控制信号后，经过信号放大，信号保护后的信号驱动继电器RL1动作，将RL1 开关闭合，220 V 交流电从A 端与电机M 连接构成电流回路，控制遮阳帘开闭的的卷帘电机将正转，将遮阳帘释放；当继电器将COM 端与B 端闭合连接时，卷帘电机将反转，将遮阳帘收缩。由于仿真中无交流电机，因此画成直流进行仿真。

3 系统软件设计

整个系统在上电复位后，随后单片机就开始驱动包括温度、湿度、CO2浓度、光照强度等参数在内的各个参数采集模块来获取环境参数[4]；在采集数据后单片机对数据进行处理，驱动显示器显示各个参数；在显示器显示数据同时还加入了输入模块来修改参数上下限；之后单片机将进行参数比较，如果不在设定范围单片机将驱动相应执行机构工作使参数在设定范围内，如果参数在设定范围，单片机又将进行新一轮的数据采集、显示、比较以及输出控制，以此循环下去来保证大棚内部各参数的恒定，控制流程图如4。

4 系统仿真试验

为了验证温室大棚控制系统的可行性和有效性，以及各个参数控制的精准度，以及显示模块的有效性，首先采用Proteus 仿真软件搭建系统仿真，运用Kiel 编写控制器程序，进行模拟仿真[5]。其次在普中EM3V 2．2 单片机开发板上搭建实物模型进行实时环境仿真。

4.1 试验方法

根据系统闭环调控原理，本文采用单独改变各环境参量，采用单一变量法来校核系统的可行性与有效应。在试验过程中，首先校核各个模块功能，然后通过改变环境参数，观察调节参数后是否构成及时且合理的反馈来判断控制系统的可行性。

4.2 试验模型

4.2.1 仿真模型

在Proteus 软件上建立了仿真模型，如图5。

其中用刀开关模拟红外热释电传感器的输入，用滑动变阻器（RV1）模拟光照强度变化，滑动变阻器（RV2）模拟CO2浓度变化。用LED 灯泡模拟所有的输出设备，LED 点亮为驱动相应输出装置。由于软件不支持DHT11 模块，整个仿真未给出DHT11 传感器，所以LCD 显示温湿度为0。

在显示模块中，湿度显示为字母“R”，温度显示为字母“T”，光照强度为“L”，CO2浓度为“C”，参数范围用“SET”表示，采用循环分页显示各个参数，翻页时间为1 秒。

输入模块中，采用4 个共阴极独立按键。其功能分别为设置按键、加一键（兼保存显示按键）、减一键和退出键。

4.2.2 实物模型

在Proteus 中进行全部仿真并且验证系统的合理性的同时，选用普中EM3 V2．2 单片机开发板平台进行系统实物搭建，在实物平台校验系统的合理性和实用性（图6）。

4.3 系统仿真试验

分别采用单一变量法对仿真模型以及实物模型进行了试验测试，其过程如下：

对控制系统进行测试，首先通过观察显示模块，显示模块正常工作，显示内容合理，系统平稳运行。其次主要针对传感器仿真测试、输入模块仿真测试以及输出反馈的检验，针对数字类信号和模拟类信号分别进行了仿真测试。

对数字信号类，打开仿真，在显示稳定后，首先设置温度的上限和下限，利用设置键和“+”“-”键，设置上限为50 度，下限为5 度，按下返回键回到显示界面，改变传感器参数开始测试。由于未接入传感器，温湿度都为0。此时低于设定范围，观察输出的LED 处，加温加湿LED 都点B 亮。证明数字信号类模块系统设计合理。由于未进行上限的校验，后期在仿真模型中采用DS18B20 数字传感器代替DHT11 校验温度上限，超过温上限，降温指示灯点亮。同样有正确反馈。再次证明系统设计合理有效，但是在实物模型中验证了DHT11 传感器的合理性与实用性。

对模拟信号类，打开仿真，待显示稳定。同样设置上下限制，以光照强度为例（光照强度采用百分比显示），设置上限为60%，下限为10%。滑动光照强度对应滑动变阻器，增大阻值（光强减小），此时光强百分比减小，反之增大。当测量显示值小于设定值时，输出模块驱动补光灯点亮。当测量显示值大于设定值时，输出模块驱动遮阳指示灯点亮。同时在显示界面按下保存显示按键，此时显示页面锁定，再次按下退出锁定，输入模块校验成功。

最后校验警示模块，由于拨动刀闸接通电路（热释电传感器检测到物体接近），此时蜂鸣器发声发出警报，警示电路经校验设计合理。

4.4 试验结果

通过上述的两种平台进行试验，无论是在仿真模型还是在实物平台整个控制系统都能平稳运行，显示模块都能对采集参数进行有效且准确的显示；当调节环境参数超出设定范围后，相应反馈机构都能及时准确的反馈。经试验系统采集的各个环境参量都有效显示，并且当改变环境参数或者调节设定范围时都能有效反馈，同时警示模块也能正常感知信号做出响应。

5 结语

本次设计的基于光伏供电的温室智能控制系统是基于光伏发电技术、单片机技术、传感器技术、智能控制技术的一项融合与实践。在设计过程中运用仿真技术以及实物平台搭建来校验了系统的可行性与可执行性，构造了一套完整可靠的闭环控制系统[6]。该系统的提出将使传统农业大棚种植变得简单、实时、可靠。这是对智能农业环节的一次尝试，并且随着科技的发展，该系统也能做出相应的更新。