硬件單片機實現溫室智能控制

近年來，溫室環境控制在國內外得到了相應的研究和應用。國內現有的智能溫室系統硬件大部分從國外引進，國外的系統是經過多年的發展和完善，在技術上是比較成熟與先進的。但在我國的應用中出現了一些問題，如體積大、能耗大、溫室降溫較差、在我國使用不適應。從經濟效益上看，因其設備投資大，運行費用高，普遍虧損。“林木種苗工廠化生產環境控制設備與自動化控制集成應用研究示范”是我們自主開發的智能溫室監控系統，該系統對于實現農業精細化、自動化生產，提高農業生產的效率與農產品的質量有一定的促進作用。

系統硬件相關技術指標要求如下：

( 1) 對現場空氣溫度濕度，土壤基質溫度濕度，光照強度進行實時的數據采集、數據信號處理、數據分析。數據采集時延 3min，數據精度達到10 位，根據農作物實際生長情況，溫度控制精度 3℃，濕度控制精度 10% RH 。

( 2) 建立使用可擴展的主從控制器通信機制，準確通信距離可達1. 2km。

( 3) 使用可學習、自適應的控制機制，實現精確控制。

( 4) 整套系統可以在0%—100% RH 的濕度范圍內可靠使用10 年以上。

( 5) 溫度年漂移量 0. 1℃ ，濕度年漂移量 1% RH。

1 方案設計和器件選型

1. 1 方案設計

根據項目和具體的技術指標需求，下位通信選用RS - 485 通信協議，RS - 485 是雙向、半雙工通信協議，符合真正多點通信網絡要求，并且它規定在一條單總線( 2 線) 上支持32 個驅動器和32 個接收器。有些RS- 485 收發器可修改輸入阻抗以便允許將多達8 倍以上的節點數連接到相同總線。由于性能優異、結構簡單、組網容易，多站互連時可節省信號線，便于高速、遠距離傳送。

為保證溫室控制系統可靠性，將系統設計為三級主從控制系統。以ARM 系列單片機為中間主控制器，模塊化下位的數據采集和控制單元以便于系統的擴展。上位服務器直接面向網絡，保存下位采集數據。選用主控器自帶TCP /IP 功能與服務器通信，自帶RS485 通信功能連接下位數據采集與控制單元。具體結構如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

1. 1.1 采集器功能

( 1) 及時可靠地采集溫室現場中溫室溫度、濕度，土壤溫度、濕度，光照強度數據。

( 2) 對數據作初步的采集處理以及兩次完全采集存儲。

( 3) 接受判別主控制器指令，傳遞數據。

1. 1.2 控制器功能

( 1) 識別主控制器控制指令。

( 2) 執行控制指令。

1. 1.3主控制器功能

( 1) 測量數據采集和監測

通過485 串口與測量終端通信，收集測量終端監測的溫室環境指標。如果終端測量到的數據超出了預設的環境參數指標，由主控制器實現監測報警，提醒觀測人員注意溫室環境超出指標范圍。

( 2) 測量數據存儲和傳送

把各終端的數據存儲于主控制器的外插的SD 卡中，要求能夠存儲一個月以上的各終端測量數據。也可以通過以太網與任意聯入局域網的PC 機通訊，將存儲數據傳送到PC 機上保存。 ( 3) 以太網通信

主控制器與服務器之間利用以太網通信，選擇的主控制器上需要帶有以太網接口，實現以太網通信，系統具備TCP /IP 協議棧，能夠在TCP 和UDP 協議層上構建應用層網絡通信，HTTP 網頁服務器功能，TFTP、FTP 文件傳輸功能。

( 4) 終端控制

主控制器控制測量終端的測量特性，設置環境參數采樣間隔，參數指標閾值等。根據檢測數據和控制目標及時的完成控制理論計算。向下位控制器發送控制指令。要求主控制器具備現場操控，和遠程操控兩種操作方式。既可以由現場操作主控制器查看終端測量數據，又可以以主控制器作為WEB 服務器，在服務器提供的網頁中顯示測量數據，并在網頁中加入CGI 功能，用戶可以通過網頁實現遠程控制。