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                        溫室環境數據監測系統開發

                        添加時間:2018/12/10 來源:內蒙古農業大學 作者:朱曉雷
                        針對我國在溫室數據監測方面存在的若干問題,通過進行充分的調研和翻閱大量相關資料,設計了一套符合我國國情的溫室數據監測系統?偨Y起來,該設計主要有以下幾項成果與優勢。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          溫室作為設施農業的代表,它的自動化水平的高低將直接影響我國農業的發展前景。設計出與我國國情相適應的溫室智能監測系統,才能為溫室智能控制提供可靠依據,從而推動我國農業向現代化農業的邁進。

                          針對以上情況,本文旨在設計出一套成本低廉、操作簡單、功能強大的溫室環境監測系統。該系統包括兩個部分:上位機系統和下位機系統。下位機系統按功能可分四個模塊:主控模塊、數據采集模塊、數據顯示模塊和數據通信模塊。數據采集模塊負責將傳感器采集到的數字信號進行處理,數據顯示模塊負責將得到的環境數據顯示在 LCD 屏幕上,數據通信模塊負責下位機與上位 PC 機間的數據通信。上位機系統利用 Labview 作為軟件開發工具,系統可將各實時環境數據顯示在 PC 機上,生成歷史曲線,并可對數據進行存儲。

                          試驗表明,該套系統運行良好,可以滿足溫室環境監測的智能化、精確化的要求。

                          關鍵詞:設施農業;溫室;環境監測;傳感器;上位機;下位機

                        Abstract

                          Greenhouse is the type of the protected agriculture and its automation level will directly influence on the agricultural development of our country. Only when we invent the monitoring system that is consistent with the national situation, can we provide reliable basis for the intelligent controlling system of greenhouse and help our country’s agriculture turn into modernized agriculture.

                          Basing on above problems, this article is aimed at exploring a greenhouse environment monitoring system that is cheap, simple and powerful. The system includes three parts:sensors, upper computer and lower computer. The sensors’s task is to collect datas and send them to the lower computer whose core is single chip. Upper computer system can be divided into four parts:master control module, data collecting module, data showing module and data communicating module. The data collecting module’s task is to manage the figure signals which are send by the sensors. The data showing module’s task is to show the environmental datas on the LCD screen. The data communicating module’s task is to ensure the communication between the upper computer and the lower computer. Upper computer system takes the Labview as the tool for the software development. The system could show the current datas on the PC and store them. The experiment indicates that the whole system operates well and can meet the demands of the greenhouse environment monitoring for intelligentizing and precision.

                          Key words: Protected agriculture; Greenhouse; Environmental monitoring;Sensors; Upper computer; Lower computer

                          二十一世紀是各國綜合國力比拼的時代,是科學技術、文化教育、工業生產等行業齊頭并進的時代。而我國作為一個農業大國,約有百分之六十以上的人口在從事農業生產[1]。與發達國家相比,我國農業生產技術落后,農業現代化水平低,傳統農業仍舊占據主導地位,致使農牧民增收緩慢,嚴重阻礙了我國經濟的穩定發展。

                          因此,大力發展農業生產,實現傳統農業向現代化農業的轉型,已成為我國農業工作者亟需解決的重大問題。

                          溫室作為我國農業生產的重要組成部分,已在我國得到了較為廣泛的應用,其技術水平的高低將直接決定我國農業的前景[2]。在生產力發展的推動下,智能監控系統應運而生[3,4]。溫室智能監測系統是智能溫室的一個重要組成部分,但由于設備價格昂貴,農牧民難以承受[5]。因此,農業工作者的一個重要任務就是利用微型計算機技術、傳感器技術以及自動化技術、溫室栽培技術,研發出低成本的溫室環境數據監測系統,為農作物的增收提供適宜的外部條件[6,7]。溫室環境監測系統可實現對溫室內部各環境因子的實時數值的及時掌握,為及時調整栽培和管理、促進生態作物的健康成長提供了及時的科學的依據,有利于實現溫室監管自動化。

                          設施農業是二十一世紀最有生命力的新型農業,設施農業能夠保證作物的單產為粗放型農業的 5-6 倍[8]。荷蘭等國家稱環境監控自動化的現代化新型溫室為植物的工廠,溫室是全球農業向現代化發展的必然途徑,并將會展現出無限的潛力[9]。自二十世紀七十年代以來,電子技術的飛速發展及微型計算機的問世使得溫室數據的監測與控制技術產生了革命性的突破[10,11]。上世紀八十年代至今,國外專家針對溫室環境監控實施了大量的實驗[12]。Takakura 于 1989 年提出了依靠計算機控制環境因子的觀點[13]。八十年代,以微型計算機為核心的溫室環境自動控制系統在歐美國家和日本飛速發展起來,并逐漸進入網絡智能化階段[10]。

                          上世紀八十年代到九十年代,以色列的溫室更新了三代,以色列科學家成功研發了多種計算機軟件和硬件,實現了溫室數據的自動監測和溫室自動供水、施肥。

                          在日本,設施農業的發展起步較早,技術水平已十分成熟,溫室大棚的應用率廣泛。美國推出了當今農業領域水平最先進的全封閉式作物生產體系。該體系依靠計算機技術對太陽照射進行模擬,并對每棵作物依次進行編號,并針對不同生長階段所需的各種肥料和水分進行量化,并由智能機器人完成該生產體系中的有關操作,極大提高了勞動生產率[14]。

                          我國的溫室起步較晚。中國第一座塑料大棚于 1966 年在長春市建成,該大棚占地很小,僅有幾百平方米。上世紀七十年代,我國出現了節能型日光溫室,并較快發展起來。上世紀八十年代初,我國先后從美國、日本和保加利亞等國引進了若干套玻璃溫室成套設備,但僅分布在北上廣等大城市周圍,我國獨立建造的玻璃溫室數量少,內部設施簡陋,監測水平遠低于國外先進產品,國產溫室的推廣及使用因而受到影響。

                          我國的大型連棟溫室于近年有了較大程度的發展,其監測水平已相當先進。余勇研發的 Smith 預估器可有效減少純滯后帶來的影響[15]。楊家強、鐘應善首次闡述了以單片機為核心監測溫室溫濕度的技術[16]。郝國法等人成功研發了一套高速數據監測系統,其控制電路的主控芯片為CPLD,系統的數據傳輸速度達到了 480Mbps[17]。

                          中國農業信息化研究中心開發出了智能型遠程溫室數據監控系統,該系統可監測溫室內部土壤溫度、環境溫度、土壤濕度、環境濕度、葉片的含水量以及二氧化碳濃度和光照度等環境因子,并統計和分析收集到的環境數據,利用網絡技術自動完成對溫室作物的噴水、加溫、施肥等操作。系統還可以將采集到的溫室環境因子實時數據及時地顯示在溫室現場的液晶顯示屏和監控室的 PC 機上,PC 機可保存這些數據,在特殊情況下系統系統還會自動報警,保證了管理者無需進入溫室就可觀測到溫室環境數據并及時做出調整,溫室自動化和智能化大大提高。

                          溫室工程可以分為兩個方面:一方面是溫室結構工程;另一方面是溫室數據測控系統。溫室數據測控包括溫室數據的采集和控制。溫室數據采集系統以溫室內部各環境因子的獲得為目標,是由溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器等各種傳感器及微型控制器所構成。在多種傳感器的基礎上,設計一套價格低廉、使用簡單、功能多樣的溫室數據監測系統勢在必行。

                          農業生產離不開良好的氣候條件,光、熱等氣候條件的綜合作用決定了作物的生。溫室是現代化農業生產的單元,可使作物生長不受外界自然環境的影響,為作物健康成長提供最佳氣候條件。溫室控制的核心技術是環境控制,而該技術最終是為了提高控制的精度[16],從而實現對溫室環境數據的精準控制,這一切的前提就是如何快速而精確地監測到溫室各個環境參數的實時數據。

                          本監測系統可及時在液晶屏上顯示采集到的溫室數據,并把數據保存在上位 PC機上,為溫室管理者對溫室環境的準確預判提供了科學的依據,彌補了人工經驗在作物種植方面的不足,促進了溫室監測向智能化的發展。

                          溫室環境數據監測系統硬件選擇:

                        AM2305 溫濕度傳感器
                        AM2305 溫濕度傳感器

                        光強度傳感器 BH1750
                        光強度傳感器 BH1750

                        單片機 STC12C5A60
                        單片機 STC12C5A60

                        1602LCD
                        1602LCD

                        1602LCD 顯示效果
                        1602LCD 顯示效果

                        通信模塊電路圖
                        通信模塊電路圖

                        目 錄

                          1 引言
                            1.1 溫室監測的國內外現狀
                              1.1.1 國外研究現狀
                              1.1.2 國內研究現狀
                            1.2 研究的目的及意義
                            1.3 研究的主要內容
                            1.4 小結
                          2 溫室主要環境參數及其調控方法
                            2.1 溫室環境參數
                            2.2 溫室調控方法
                            2.3 小結
                          3 系統的總體設計
                            3.1 監測系統結構設計
                            3.2 監測系統各結構方案設計
                              3.2.1 設計原則
                              3.2.2 下位機系統方案設計
                              3.2.3 上位機系統方案設計
                            3.3 小結
                          4 監測系統的硬件選擇
                            4.1 傳感器的選型
                              4.1.1 溫濕度傳感器的選型
                              4.1.2 光照傳感器的選型
                            4.2 單片機的選型
                            4.3 液晶顯示器的選擇
                            4.4 主控模塊電路設計
                            4.5 采集模塊電路設計
                            4.6 顯示模塊電路設計
                            4.7 通信模塊電路設計
                          5 監測系統的軟件設計
                            5.1 主程序
                            5.2 采集子程序
                            5.3 顯示子程序
                            5.4 通信子程序
                          6 上位機系統設計
                            6.1 系統程序開發軟件介紹
                            6.2 上位機主界面設計
                          7 測試結果與分析
                            7.1 實驗地點及實驗方案
                            7.2 實驗結果分析
                          8 結論與展望
                          致 謝
                          參 考 文 獻

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