Control System Design of a Intelligent Greenhouse
摘要:溫室控制技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)研究的重要內(nèi)容，通過對溫室內(nèi)外監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育的規(guī)律，控制有關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)對溫室要素的調(diào)控，達到作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。本文通過對溫室控制技術(shù)的研究，提出一種新的溫室智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。該應(yīng)用系統(tǒng)采用分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式，以PC機為上位機，完成數(shù)據(jù)打印、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置等輔助功能；采用MCS-51單片機為下位機，完成全部控制功能，下位機可脫離上位機獨立工作。
關(guān)鍵詞:溫室； 單片機；傳感器； 控制系統(tǒng)

Abstract: The control technology of the greenhouse is the important aspect of the research on modern agriculture. To achieve quality cultivation with high yield and efficiency, the manipulation aim of the greenhouse is realized by controlling some equipment through analyzing the monitoring data of the internal and external of the greenhouse and according to crop growth rule. A new method to realize the intelligent control system of the greenhouse is proposed in the thesis by investigation on the control technology. The system applies distributed system structure: with the help of pc, assistant functions such as the dada processing, the data printing and parameter configuration are completed. The MCS-51 is used as a bottom computer, which can independently run, finishes the entire control task..
Keywords: Greenhouse; SoC; Sensor; Control System
1 引言
近二十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，計算機及相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。在國內(nèi)技術(shù)水平相對落后的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，計算機技術(shù)的應(yīng)用也從無到有、從少到多有了長足進步；其中溫室控制技術(shù)及控制系統(tǒng)的應(yīng)用是較典型的例子。而人工環(huán)境的調(diào)節(jié)控制是溫室農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。日前，國內(nèi)許多地方都已引進了以色列、荷蘭等國家的溫室控制系統(tǒng)，并同時在積極的組織力量進行有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，設(shè)計和制造適合我國國情、具有較高技術(shù)水平的溫室控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)功能
本系統(tǒng)是由PC機為上位機，MCS-51單片機作為下位機組成的溫室群集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)最多可控制256臺下位機，即包含256個子系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計為一典型的分布式計算機控制系統(tǒng)，全部控制功能由下位機實現(xiàn)，上位機僅實現(xiàn)輔助功能；因此，子系統(tǒng)可在下位機的控制下，脫離上位機，獨立高效的工作。由于上位機與下位機距離較遠，某些情況下要求有較高的傳輸速率，因此系統(tǒng)采用RS485串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)有兩種控制方式:自動控制、手動控制；可通過按鍵進行切換。
3 溫室智能控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3.1 溫室智能控制系統(tǒng)框圖
 
圖1 溫室智能控制系統(tǒng)框圖
溫室智能控制系統(tǒng)組成如圖1所示。
3.2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計
本系統(tǒng)由硬件、軟件兩部分組成。如圖2所示，硬件部分包括10個組成單元，每個組成單元就是一個線路板組件。
 
圖2 系統(tǒng)硬件部分框圖
3.2.1 各種傳感器
由于要對各種環(huán)境要素進行監(jiān)測，因此傳感器是必不可少的，為了便于輸出信號長距離傳輸、減小信號的失真，設(shè)計采用兩線制4-20mA電流型傳感器。個別種類的傳感器只有電壓信號輸出，在當?shù)匾�進行電壓電流轉(zhuǎn)換，以便于傳輸。
3.2.2 輸入轉(zhuǎn)換板
為了防止電氣干擾，數(shù)字量、開關(guān)量、脈沖量，需要進行光電隔離；模擬量也可能受到電氣干擾，但對模擬量進行線性隔離，對精度有較大影響，所以本系統(tǒng)對模擬量沒有進行隔離，僅采用了過壓保護措施。對模擬輸入量采用運放組成的跟隨器進行阻抗隔離，消除后級輸入電阻的影響。
3.2.3 單片機主控板
單片機主控板是硬件系統(tǒng)的核心，主控板對輸入信號進行處理，按照一定的算法，輸出控制信號；同時控制大屏幕圖形點陣式LCD顯示模塊，實現(xiàn)對子系統(tǒng)各參數(shù)及運行狀態(tài)的監(jiān)測；存儲環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)；實現(xiàn)通過串行通訊板與上位機的通訊。其硬件部分結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
 
圖3 主控板硬件部分結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)的程序較復(fù)雜，因此程序存儲器需要較大的空間，系統(tǒng)采用27C256作為程序存儲器，27C256是32K×8位ROM。系統(tǒng)采用了兩塊6264作為數(shù)據(jù)存儲器，其中一塊6264專用于存儲歷史數(shù)據(jù)，并備有后備電源。另一塊數(shù)據(jù)存儲器6264是在程序運行時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的暫存。系統(tǒng)采用兩片ADC0816實現(xiàn)32路模擬量的A/D轉(zhuǎn)換。采用8位三態(tài)門控制電路芯片74LS244，作為系統(tǒng)數(shù)字量、開關(guān)量的輸入門。采用8253完成計數(shù)，利用DS 12887輸出的1K方波啟動計數(shù)器。采用74LS377鎖存器擴展8位并行輸出口。由于在強干擾的情況下，程序可能跑飛或進入死循環(huán)，因此“看門狗”電路是系統(tǒng)必須的。我們采用美國MAXIM公司的微處理器/單片機系統(tǒng)監(jiān)控專用芯片MAX705來實現(xiàn)這部分功能。利用8?59中斷控制器來實現(xiàn)對多個中斷源的管理。采用了一個4-16譯碼器CD4515實現(xiàn)片選。
3.2.4 串行通訊板
MCS-51單片機串行口輸出數(shù)據(jù)為TTL電平，而計算機串行口數(shù)據(jù)滿足RS232C標準。RS232C電平的數(shù)據(jù)傳輸速率及傳輸距離有限，無法滿足系統(tǒng)使用要求，因此必須對電平進行轉(zhuǎn)換。RS485電平的數(shù)據(jù)傳輸速率及傳輸距離指標較高，串行通訊板的作用就是在下位機和上位機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)電平在RS485標準和RS232C標準之間的變換。
3.2.5 各種環(huán)境控制設(shè)備
溫室自動控制系統(tǒng)通過啟閉各種環(huán)境控制設(shè)備來實現(xiàn)溫室要素的調(diào)控。例如在冬季，溫度過低，系統(tǒng)通過控制各種設(shè)備，如開啟鍋爐、關(guān)閉天窗和側(cè)窗、打開遮陽幕來實現(xiàn)增溫，具體措施由主控板確定。
4系統(tǒng)軟件部分設(shè)計
4.1 上位機軟件部分設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件部分包括上位機軟件部分和下位機軟件部分，其中上位機主程序的編制是在WIN98操作系統(tǒng)下，采用面向?qū)ο蟮目梢暬�工具VB6開發(fā)完成的。采用了模塊化結(jié)構(gòu)，整個軟件由四大主要模塊及其它輔助模塊組成。四個主要模塊即通訊模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、實時監(jiān)測模塊，每個大模塊又由多個小模塊組成，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
 
圖4 上位機軟件結(jié)構(gòu)框圖
4.2 下位機軟件部分設(shè)計
由于系統(tǒng)的控制功能主要是下位機完成的，因此下位機的軟件編程是系統(tǒng)軟件編程的主要部分，本控制系統(tǒng)是采用MCS-51匯編語言進行編程的，使用匯編語言具有編譯效率高、執(zhí)行速度快、基本不占用用戶資源的優(yōu)點。由于程序較大，在具體程序編寫中，我們是采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過子程序調(diào)用，分層進行的。
下位機主程序由四大模塊組成，即:初始化模塊、LCD顯示模塊、中斷模塊、控制模塊；每個模塊是由相應(yīng)的子模塊組成(即第二層)，子模塊又可以進行繼續(xù)細分。下位機軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其中只列出部分第二層、第三層模塊。
 
圖5 下位機軟件結(jié)構(gòu)框圖
5 可靠性設(shè)計
用于工業(yè)控制場合的系統(tǒng)對可靠性有較高的要求，只有具有較高可靠性的系統(tǒng)才具有實用價值。系統(tǒng)的可靠性包括軟件的可靠性和硬件的可靠性。
5.1 硬件可靠性設(shè)計
用于工業(yè)控制場合的系統(tǒng)對可靠性有較高的要求，只有具有較高可靠性的系統(tǒng)才具有實用價值。系統(tǒng)的可靠性包括軟件的可靠性和硬件的可靠性。
單片機硬件系統(tǒng)的抗干擾能力與元器件質(zhì)量、裝配質(zhì)量等因素都有關(guān)系，但其中起決定作用的是設(shè)計過程，因此在設(shè)計中我們采取了以下抗干擾措施: (1) 采用光電隔離；(2) 采用過壓保護電路；(3) 采用抗干擾穩(wěn)壓電源；(4) 采用良好的接地系統(tǒng)。
軟件部分可靠性主要通過抗干擾設(shè)計實現(xiàn)，其中本系統(tǒng)中的抗干擾設(shè)計主要包括以下部分：(1) 采用數(shù)字濾波方法來抑制輸入通道的干擾；(2) 對數(shù)字輸出信號處理；(3) 對部分關(guān)鍵控制設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；(4) 采用指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”等方法避免程序混亂。
6 本文小結(jié)與作者創(chuàng)新點
本文通過對溫室控制系統(tǒng)有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出一種具有較高實用性和技術(shù)水平的溫室智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、上位機和下位機的軟硬件設(shè)計等。本文的研究方向側(cè)重于實用性，目的就是提出一種具有較強實用價值和技術(shù)水平的溫室智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)使用模糊控制方法，提高了控制的可靠性。采用將輸出量對應(yīng)于一組設(shè)備的控制狀態(tài)的處理方式，簡化了程序和操作，使控制易于實現(xiàn)，使系統(tǒng)運行可靠，避免設(shè)備控制狀態(tài)的沖突。
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作者簡介:
葛高豐,(1979.6-),浙江省杭州市人,漢族,講師,浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院,主要從事自動控制方面的研究。
通信地址: 浙江杭州下沙浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院   310018
Email: juanzhe@sohu.com       

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