西瓜温室生产温湿度控制系统——以华东地区为例

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        一、项目概述

          1.1 引言
          温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。随着农业现代化的发展，设施农业工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。本项目以ATmega16a4芯片为控制芯片，设计了一套适用于当前西瓜温室生产的温度和湿度自动控制系统。
           
          1.2 项目背景
          中国作为一个农业大国，“三农”问题关系到国民素质、经济发展，关系到社会稳定、国家富强、民族复兴。“十二五”发展规划中现代农业是的重中之重，我国农业生产靠天吃饭的局面仍未根本改变。农业基础设施条件还比较差，抗御自然灾害能力较弱。
           
          温室是现代西瓜生产中必不可少的设施之一，温度和湿度是影响西瓜生长发育很重要的两个因子。西瓜为耐热性作物，在整个生长发育过程中需要有较高的温度。但不同生长时期所需要的温度和湿度是不同的。我们通过搜集资料了解了西瓜的各个时期生长所需的温度和湿度后，将其列成表格储存到单片机里，让单片机在各个时段控制其所需的温度和湿度。为西瓜提供一个最适宜其生长的封闭的、良好的环境，以提早成熟，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，很多控制芯片已用于控制温室环境。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。目前很多农村地区都应用温室种植西瓜但还是处于初级保温阶段，并不能实现温度、湿度的自动控制，这种种植方式不适合农业规模化生产，因此西瓜生产温室自动化系统呼之欲出。
           

        二、需求分析

          2.1 功能要求
          温室温湿度的检测及控制通过AVR单片机来实现。每年随着季节的变化西瓜生长所需的温度和湿度也不同，我们先编制出温室西瓜各生育阶段最适温度湿度条件的管理程序表，存储于AVR单片机的记忆装置中，AVR单片机根据程序表确认、修正各栋温室内的参数，并给终端控制系统指令。各传感器向AVR单片机输送检测信息，根据AVR单片机的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室温湿度调节。
           
          （1）温度需求
          经过了解，西瓜的生长所需要的最低温度为10℃，最高温度为40℃。最适合温度为25——30℃。西瓜不同生长期对温度要求不同，发芽期最是温度28——30℃，幼苗期最适温度22——25℃，抽蔓期最适温度为25——28℃，结果期的最适温度为30——35℃。
           
          当温度过低时，会降低叶片的光合速率，延迟作物的生长发育，降低果蔬品质。而温度过高则会造成叶片和花的生长速度以及果实成熟的速度加快，使整个作物的生长受到抑制。植物的呼吸作用、光合作用和生长发育，明显受昼夜温度变化的影响。另外西瓜在不同的生长发育阶段对温度的要求都不同。温室内冬季温度一般较低，而夏季又偏高，常常不能满足作物生长的要求，需要对温度进行控制，使其保持在一段适宜的范围内。温度控制一般包括冬季的采暖和夏季的降温。调节范围一般为15-30℃，精度为0.1℃。
           
          （2）湿度控制
          湿度也是西瓜温室环境控制中相当重要的一个指标。西瓜需水量较多，但它却要求空气干燥，空气相对湿度为50%——60%时最为适宜。在幼苗期和伸蔓期适宜的湿度有利于根系和茎叶的生长发育，较低的空气湿度有利于果实成熟，并可提高其含糖量。温室空气的绝对湿度与相对湿度一般均大于露地。空气湿度大，会减少西瓜蒸腾量，作物不易缺水，有利于西瓜的生长发育，但空气湿度过大，则会使西瓜的茎叶生长过旺，造成疯长，影响西瓜的开花结果。此外，湿度过高还易造成病虫害的发生，并可能产生某些生理障碍，而过低的湿度将使西瓜受到水分胁迫而使生长受阻。
           
          温室内空气湿度受天气、通风换气、采暖及作物蒸腾作用的影响。阴天温室内空气相对湿度一般在90%以上。晴天，夜间温室处于密闭状态，湿度较高，甚至会发生结雾现象;而到了白天，由于温度升高，结雾消散，空气相对湿度下降。经常发生这样的现象，会给西瓜带来危害，因此需要对湿度进行调节和控制。 湿度控制一般包括低温、阴雨季节的除湿和高温晴朗天气的加湿。温室的湿度调节范围一般在60-80 % RH，精度为士5%.湿度的调控影响温度，要求与温度的调节按一定的程序进行。
        2.2 性能要求
          1、基于AVR单片机西瓜温室生产温湿度自动控制系统
          在西瓜温室生产温湿度自动控制系统设计中，软件、硬件紧密相关。多用硬件可减轻CPU负担，提高工作速度。多用软件可降低成本，但软件人员的工作量增大。对于此系统，有些部分必须由硬件完成，有些部分必须由软件完成，对于软、硬件都可完成的交叉部分，应根据具体生产情况选择最佳方案，以达到最佳性能价格比。
           
          （1）硬件设计
          ①经济合理
          系统硬件设计中，一定要注意在满足西瓜生产环境所需的性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素，也是此系统争取市场和快速推广的主要因素之一。
           
          ②安全可靠
          设计系统和选购设备时要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在西瓜生产环境下，系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。要保证连接件的接触可靠。
           
          ③有足够的抗干扰能力
          有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，高输入阻抗下的防止漏电等。
           
          （2）软件设计
          ①结构合理
          程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。另外项目团队中的每个人可以负责一部分，可以提高效率。
           
          ②操作性能好，使用方便
          尽量减少操作步骤，系统使用对象大多数是农民，所以系统越简单才越能够普及。
           
          ③具有一定的保护措施
          系统应设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。
           
          ④提高程序的执行速度
           
          ⑤给出必要的程序说明
           
          ⑥给出系统的使用说明
           

        三、方案设计

          3.1 系统功能实现原理
           

       

         

       

        系统硬件结构框图

        系统功能实现原理说明：
          温室的环境调控最终要通过一系列的执行机构来实现。系统温室的执行机构系统由自然通风系统，遮阴与保温系统，降温系统，加热系统和增湿系统组成。系统中这些执行机构均采用继电器或电磁阀控制电机正转、反转与停止、报警器的开停，均为开关量输入。
           
          华东地区夏季炎热，室外温度在35℃以上，温室里会超过40℃甚至达到50℃。这时，仅靠自然通风降温是远远不够的。温室降温方法除天窗和侧窗自然通风外主要有:外遮阴，轴流风机强制通风，屋顶喷淋降温、弥雾降温等。系统把这些降温方式进行综合，根据温差大小来启动不同的降温设备。
           
          冬季加温的方式主要有:内遮阴保温，热风加温，热水加温，电加温等。热水加温运行稳定可靠，也是华东地区大型温室普遍采用的加温方式。所以系统采用内遮阴和热水管道共同保温。
           
          华东地区冬季不是特别干燥，加湿控制一般通过喷雾和控制灌水量等方法来实现。而在炎热高湿的夏季，特别是采用降温效果明显的湿帘风机降温会提高75-80%的空气相对湿度，给温室除湿带来了很大难度。除了开启天窗、侧窗自然通风外，需要配合使用环流风机和轴流风机来加强除湿效果，有时甚至要开启除湿机。
           
          （1）自然通风系统
          自然通风系统包括热压通风和风压通风，它的基本要求是能够提供足够的通风量，有效调控室内温度、湿度，达到满足室内西瓜正常生长要求的条件。自然通风系统主要用于通风换气和夏季的降温，又可起到排除湿气的作用。 自然通风系统由侧窗及相应的开窗机构组成。自然通风系统的设置，要求有足够的通风能力的同时，室内气流应合理分布，通风系统还能方便调节。为保证良好的热压通风效果，应使通风的进、排风口的高差尽可能大。一般在侧墙下部设置进风窗口。在塑料薄膜温室中，为了减少屋面覆盖薄膜的接缝和方便开窗机构布置，也将在温室两头设窗口。侧窗采用电力驱动的齿轮齿条开窗，既保证开启角度达到所需风量，又能保证关闭后的密封效果和室内温度。
           
          （2）遮阴与保温系统
          遮阴系统是利用具有一定透光率的材料将一部分多余的光照进行遮挡，既保证温室作物正常生长所需的光照，又防止多余的太阳辐射能在温室聚集，造成室内温度过高。外遮阴直接将多余的太阳辐射阻隔在室外，用于温室的降温和光照调节。内遮阴在温室内部阻隔多余的太阳辐射，降温效果不如外遮阴，但当它与湿帘风机降温系统配合使用时，能大大提高降温效能，使室内气流更加通畅。另外，内遮阴可以阻隔温室内的空气对流，有效的反射夜间温室内的红外线辐射，使热空气留在作物生长的空间，防止热量通过辐射形式散失，具有保温节能的作用。遮阴与保温系统由外遮阴，内遮阴及其传动机构与动力机构组成。内外遮阴均采用齿轮齿条传动机构进行驱动，运行安全可靠。
           
          （3）降温系统
          华东地区炎热的夏季室外气温往往接近37℃，而温室内的温度更是会超过45℃。这时单靠自然通风系统是远远不能满足温室内的温度控制要求的，所以需要启动降温系统，保证温度控制在适宜作物生长的范围内。温室内的循环通风能使空气形成有序的流动，保证室内气候的均匀和稳定。机械通风是依靠风机产生的风压强制空气流动，作用能力强，通风效果稳定。而通过强迫空气运动和增大空气与水接触面积的蒸发降温可以提高湿热交换率，是现代温室夏季生产环境调控中应用最为广泛和有效的降温技术之一。
           
          降温系统由环流风机，机械通风风机组喷雾降温系统组成。温室循环通风选用简洁型的环流风机，悬挂在温室骨架上，方便操作并避免直接吹向作物表面。机械通风选用负压排风方式的轴流式风机，安装在温室下风向的山墙上。喷雾降温设备选用高压细雾系统，通过一台高压主机产生较大的压力，将经过过滤的净水送入管路，再由各处的喷头雾化喷出，超细雾颗粒在落下之前被蒸发，起到降温的作用。喷雾降温需配合风机使用。
        （4）加热系统
          加热系统有提高室内温度、促进室内空气流动和降低空气湿度的作用。华东地区的连栋温室，尤其是西瓜生产温室和育苗温室，冬季生产也需要进行加温或临时加温。用热水采暖系统调节温度可达到较高的稳定性和均匀性，虽然一次性投资较多，循环动力较大，但对于大型的温室群而言，热损失小，运行比较经济。加热系统由锅炉，热水输送管道，循环水泵和各种阀门组成。阀门的开关用单片机间接控制。
           
          （5）增湿系统
          温室是个相对封闭的生产设施，自然降雨不能被直接利用，温室内的作物需要的水分完全依靠人工灌溉来保证。微灌是特点是灌水流量小，一次灌水延续时间长，周期短，能够较精确地控制灌水量，把水和养分直接输送到作物根部附近的土壤中或叶面，满足作物生长发育的需要。微灌可以分为以断续滴出方式出流的滴灌，以喷洒方式出流的微喷灌和以微孔隙缓慢渗出出流的渗灌等。
           
          微灌系统由水源，首部枢纽，输配水管网和灌水器以及流量、压力控制部件和量测仪表组成。滴灌滴头选用内镶式滴灌管，喷灌喷头采用旋转式，省水且能耗低，微喷雾化好，能有效提高温室湿度。灌溉用电磁阀控制，实现自动化合理供给。
           
          注：本项目最终会做出一个温室模型，以上所描述的各种设备将用功能类似的模型代替。
           
          3.2 硬件平台选用及资源配置
          ATmega16a4，电机，继电器，电磁阀，传感器（温度、湿度、光照、压力、风力等）
           
          3.3系统软件架构
           

       

           
          3.4 系统软件流程
           

       

        程序运行流程图

         

          本项目使用温度传感检测当前瓜田温度，用三位数码管显示当前温度值，单片机可通过键盘设置适合西瓜生产的温度上限而和温度下限，并保存到存储器中。
           
          上电后，单片机进行初始化。然后进入计时程序，采集外部温度，与各个时间段设置的温度进行比较，不合格就进入温度处理子程序并进行语音报警，让执行温度的系统继续运行，系统进入湿度测量，判断是否与当前系统内设定好的温度符合，不符合就转入湿度子程序并进行语音报警。让湿度调节器件继续调节湿度，系统继续去外部温度和湿度进行判断，并给予相应执行动作。
           
          3.5 系统预计实现结果
          制作出系统模型，能够仿真运行，当外界环境改变时达到自动调节温室的温度和湿度。