农业温室大棚智能环境监测系统设计
发布时间：2022-06-22
摘要：环境控制对于提高温室大棚的利用效率、使之利于作物生长实现增产增收具有重要意义。本课题设计的温室大棚环境监测系统，采用先进的温湿度传感器采集温湿度信号，以单片机为硬件核心，采用基于专家控制系统的智能控制器对数据进行分析和处理，对大棚内的环境包括温度和湿度进行实时监测并做出相应控制指令。
关键词：温室大棚;传感器;单片机;智能控制
0 引言
随着人们对生活水平要求的提高和农业种植技术的不断发展，温室大棚已经成为农业种植户种植蔬菜水果等农产品必不可少的农业设施。提高温室大棚的利用效率，必须对大棚内的环境包括温度和湿度进行实时监测，使之利于作物生长，以实现增产增收。
温室大棚内的温度和湿度受光照等环境因素影响实时变化性强[1]，变化过程非线性而且受随机因素干扰较大，所以难以建立一个精确的数学模型，采用传统的控制方法、控制理论，其控制效果都不是很好比]。因此需要对蔬菜生长的温湿度环境进行监测，提供适宜作物生长的大棚环境[3]，研制大棚智能温湿度控制系统，确保棚内温湿度和光照度环境最适合农作物的生长[4’5]。
1 系统设计原理
传统的温湿度测量方法为采用温湿度计人工检测。这种检测方法费时费力，而且由于温室大棚的环境是一种非线性时变分布的参数系统，用传统控制方法中准确的数学模型无法描述这样的系统。用智能控制中的专家控制方法可以取得较好的效果叩]。智能控制是一种新型控制方法，它适用于控制对象变化过程复杂、控制方向具有模糊性、已知算法不确定的生产过程。利用人们的定性经验、逻辑推理能力和记忆学习的优点，智能控制可以把定性知识和定量知识结合起来，以达到控制要求。专家控制又称专家智能控制，在未知环境下，仿效专家的经验，实现对系统的控制。专家控制试图在传统控制的基础上加入一个“富有经验的工程师”实现控制的功能，它由知识库和推理机构成主体框架，通过对控制领域知识(先验经验、动态信息、目标等)的获取与组织，按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，实现对实际对象的控制[6]。
2系统硬件设计
2.1 工作环境介绍
大棚里几乎是一个密闭的空间，由于农民的种植技术水平有限，而且很多植物对生长温度的要求有差异性，因此保证良好的棚内环境是提高作物产量及品质的关键措施之一。由于温室内的温度和湿度对室外环境变化灵敏度较高，因此温室大棚的环境是一种不确定、非线性、时变的分布参数系统[7]。
2.2控制系统硬件设计
2.2.1 系统硬件整体方案设计
本课题设计的温室大棚环境智能监控系统，测量温度、湿度的传感器采用新型的数字式SHT21;用功能强大的AT89S51单片机为控制中心[8]的智能控制器完成数据的分析和处理;智能控制器采用基于专家控制的控制算法，通过对传感器信号的筛选，控制鼓风机、加热设备、卷帘机等设备的运行，实现对大棚内温湿度的控制;显示部分采用FYDl2864液晶显示所测温湿度值。系统硬件设计方案如图1所示。
2.2.2系统硬件的选择
本设计电路中AT89S51单片机的电路如图2所示。AT89S51单片机的封装主要有两种，一种是双列直插式塑料封装，即DIP40封装;第二种是标贴式封装。本设计采用的是DIP40封装。
传感器是实现测量和控制的第一部分，控制的关键依赖传感器的准确性、可靠的转换、原始信号的精确捕捉凹]。由于数字式温湿度传感器的高可靠性、高集成度、高分辨率、高精度、强抗干扰能力的优点，它常被选作为各种温湿度监测系统的温度、湿度传感器，在农业、工业、军事、气象、医疗等很多领域被广泛应用。数字式传感器在测量精度、线性度和一致性等方面有着良好的表现，同时数字式传感器易于复用和替换，无需重复校准[1…。本次设计采用数字式温湿度传感器 SHT21。SHT2x的供电范围为2.1～3.6V，推荐电压为3.oV，电路如图3所示。
在图3中，VSS接地，VDD接电源+3V，NC必须保持不连接或接地，SDA接单片机P1.6口，SCL接单片机P1.7口，并接两个上拉电阻R3、R4，其大小都为 10kQ，VDD与VSS之间接一个去耦电容，其大小为 100址F。传感器内部设置的默认分辨率为相对湿度12 位和温度14位。SDA的输出数据被转换成两个字节的数据包，高字节MSB在前(左对齐)。每个字节后面都跟随一个应答位。两个状态位，即LSB的后两位在进行物理计算前须置“o”。
3 软件设计
温室大棚智能温湿度控制器的软件设计可分为监控主程序、温湿度测量子程序、显示子程序、控制算法子程序等[11|。程序用C语言编写，C语言有广泛的应用范围，可以移植，适用于多种操作[12|。系统能正确监测和调控温湿度，显示时间、工作状态和温湿度，可将常用的数条农艺曲线存储在芯片中供调用，也可根据实际需要l临时修改各工作段参数。
3.1 主程序流程图
主程序主要完成硬件的初始化、子程序的调用等功能，并且进行显示并与设定值相比较判断是否报警。系统工作过程为：通电后开启并初始化，调用该种作物的农艺曲线，若无需修改则可进行下一步操作;如果需要修改则根据显示器上的提示修改。将温湿度值比较后送显示子程序并调用控制算法子程序，输出控制量。其流程图如图4所示。
3.2控制算法子程序
专家式控制系统，或叫做专家控制系统(Expert Control System，ECS)已广泛应用于故障诊断、工业设计和过程控制，为解决工农业控制难题提供一种新的方法，是实现工农业过程控制的重要技术。本文研究的温室大棚控制系统仿效专家的经验，根据不同作物的生长特性要求制定不同的农艺措施，实现对大棚内农作物生长环境的监测和控制。本设计中基于专家控制的智能控制器由知识库、数据库、推理机、学习环节、修正环节和黑板组成[1引，其结构框图如图5所示。
数据库用来存放各个时刻的采样值、偏差、控制量和生成控制量所用的控制规则号、每条控制规则的加权系数等。知识库是用来存储由本专业领域专家提供的专业知识(例如农艺曲线)，是存储有序知识的集合体。推理机构完成系统的推理和决策。黑板模块描述问题求解过程的中间状态，负责信息传递。自学习和修正环节是根据在线获取的信息，补充或修改知识库内容口“。控制子程序流程图如图6所示。
4 结论
为了获得较好的控制效果，借助仿真软件对温室大棚温湿度控制系统进行了仿真试验[15。。试验结果表明系统具有如下特点： 1)把传感器技术应用到单片机控制系统中，实现了对环境温湿度的数据采集、读取等。整个系统软硬件搭配合理，设计、开发、维护方便，性价比高。 2)本系统可以添加无线模块。系统可以添加中、短程无线通信模块，使得系统能够在比较恶劣、危险等不适合人到达的地方进行工作，这样就提高了系统的实用性。 3)本系统可以利用串口与PC机相连接，然后将采集的信息在PC机上进行处理，比如可以绘制时间一温湿度曲线，也可将信息发布到WAP上，进行远程控制。——论文作者：郭鹏，马建辉
参 考 文 献
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