基于物联网太阳能温室光伏温室棚大设计终期考核总结报告

基于物联网太阳能温室光伏温室棚大设计终期考核总结报告1 项目概述与背景针对目前我国大部分温室大棚采用纯人工管理出现的耗时耗力、 出错率高等情况， 设计了一种基于物联网的太阳能光伏温室大棚控制系统， 系统采用 Zigbee协议组建了无线传感网络， 对温室大棚内农作物生长的环境进行检测及控制， 并用来存储采集数据、 管理系统设备、 实现无线传感网与传统信息网络之间的互联，农户可以使用浏览器和智能手机对温室大棚实时监测和远程管理， 系统应用于温室大棚的生产管理过程中，提高了农业生产水平，实现了农作物高效、优质、低耗的工业生产方式。基于物联网的太阳能光伏农业大棚， 是集太阳能光伏、 风电、 地源热泵、 WSN等技术为一体的现代化农业。我们根据植物的生长条件并非单独与其放生关系，而是诸因素相互联系， 相互影响， 其中有任一条件不符合其生长需求， 作物不能正常生长， 甚至死亡。 黑龙江省属于温带季风性气候， 黑龙江省冬季蔬菜水果供给多靠从南方各省陆运，造成蔬菜水果物价较高，不但价格高，而且品质差，甚至有些蔬菜还有对人体有害的防腐剂。 传统的农业大棚内多还靠烧煤或者电能保温， 增加了经济投入成本， 同时烧煤燃烧产生大量温室气体和导致环境污染的有害气体给人类的生活带来巨大危害， 并且存在着安全隐患。 太阳能做为一种新能源， 取之不尽用之不完， 环保无公害无污染， 黑龙江地区太阳辐照最高可达 1500 Wm-2，年日照为 2965.3 小时，平均日照率 64％，不利于当地发展日光性温室，在齐齐哈尔地区，经实际测试，其光伏发电效率达到全国平均发电能力 2 倍多，意味着在齐齐哈尔地区大力发展太阳能光伏发电技术具有巨大潜力。我国的温室大棚面积世界第一， 除了中小拱棚等简易设施外， 日光温室、 塑料大棚的建筑面积高达 200 多万公顷以上。温室就是充分利用太阳能的节能建筑。 温室设计时的屋面倾角充分考虑了太阳入射角， 可以最大限度的利用太阳光对温室进行加温， 而且还要保证室内作物进行正常的光合作用。 太阳光的光热资源在温室的合理利用保证了蔬菜等园艺作物的正常生产， 也为北方冬季吃到新鲜的蔬菜作出了巨大贡献。对于光伏产业来说，如果能将这些透光屋面充分利用，不仅可以节约大量的土地资源， 还可以利用温室本身作为光伏发电建筑基础。 产生的电力资源可以直接提供给温室内的照明灯、 补光灯、 灌溉设备、 植保设备等使用。还可以供给周围居民和农户生产和生活使用。光伏农业大棚利用太阳能发的电能转化为植物生长需要的光合有效辐射能，既满足了植物生长的需要，又实现了光电转换，增加了电力。 “光伏农业大棚”转变以往大规模太阳能发电的区域概念。 由于我国中东部地区是我国的主要粮食和农副产品的供应基地， 传统上将大型太阳能发电系统建设的关注点放在我国西部地区。 “光伏农业”在不改变农用地性质的同时，使大规模太阳能发电成为可能，这个现实有望改变人们对大规模太阳能发电区域布局的认识。 “光伏农业大棚的开发，对于农业结构的调整、升级和“三农”问题的解决也有重要作用。但是， 将太阳能光伏发电和设施农业的相结合的商业应用模式在东北地区报导很少。 在农业生产过程中投入大量的工业设备， 需要大量的能源让设备正常工作， 提出结合物联网及太阳能光伏系统新技术， 弥补黑龙江地区因季节变化而造成的农业生产周期间断， 改变以往靠天吃饭的格局。 太阳能光伏系统为设施农业提供了低价的能源， 降低了农业生产成本， 同时也开拓了太阳能光伏产品的新市场， LED灯可以提供植物光合作用所需要的光线强度，可以使当地大棚种植当地所需要的蔬菜水果，或反季节蔬菜水果，解决蔬菜水果依靠从南方陆运的问题。破解东北地区“菜篮子”难题，增强抵御恶劣天气能力，改变多年来冬季蔬菜水果依靠外进的状况。2 系统的总体结构太阳能光伏温室大棚检测控制系统为满足室内环境检测的实时性要求， 应采用多级子系统分布式结构。 该系统总体结构包括传感器子系统、 数据采集子系统、信息处理子系统和伺服子系统 4 部分。1. 传感器子系统传感器子系统是检测控制系统的主要信息来源， 它关系到整个系统检测， 分析加工和控制的可靠性与准确性。 传感器主要包括检测温室大棚内部温度的温度传感器、 检测室内空气及土壤水分的湿度传感器、 检测室内光照度的光照传感器、检测二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器。 由于温室大棚一般构造面积较大， 传感器属定点使用的一次性仪表，故各类传感器的使用数量较多。2. 数据采集子系统数据采集子系统主要完成对传感器子系统传送来的信号进行 A/D 转换和采样。在检测控制系统中，为满足实时性要求，一般应选用速度较高，多种采样触发方式， 多路采样保持的多通道数据采集卡。 为了减轻后级处理工作量， 数据采集子系统对采得的原始数据应进行一定程度的预处理。3. 信息处理子系统信息处理子系统是整个系统的核心部分，包括环境参数预设置、 信号处理和控制 3 个部分。 环境参数预设置一方面可将某一时间范围内， 农作物正常生长对温度、 湿度、 光照和二氧化碳浓度的要求进行设置。 另一方面可将作物不同生长期对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度要求进行设置，进而对其进行数据拟合，以确定其在整个生长过程中对上述因素的要求。 信号处理实现测量数据与本阶段环境参数值进行比较分析， 为控制提供决策依据， 控制部分则由此发出各种相应的控制信号。4. 伺服子系统该子系统包括温度调节机构， 通过对降温设备 （如湿帘风机） 、 加热设备 （如热风机） 的工作方式及时间的控制以实现对温度的调节功能。 湿度调节机构， 通过对温室天窗、 侧窗启闭部件以及喷雾器的控制以完成对湿度的调节。 照明机构，通过对照明灯的开或关， 以实现对温室内光照度的调节。 二氧化碳施放机构完成对温室内二氧化碳施放。3 系统方案本温室大棚控制系统以 CC2530单片机为核心，采用地源热泵和风机、喷灌和渗灌和荧光灯，分别为温室大棚进行加热、增加空气湿度、灌溉、增加二氧化碳浓度、 人工补光； 采用 SHT10数字式温湿度传感器、 FDS-100型土壤水分传感器、SH-300-DH二氧化碳传感器和 TSL2561光强传感器分别检测温室大棚的空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照度。数据采集部分使用 CC2530单片机，将随被测各项数据变化的电压或电流采集过来， 进行数据的处理， 在显示电路上， 将被测各项数据显示出来。 整个系统采用模块化设计， 硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成， 传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理， 再送人模数转换器， 上位机设有显示功能， 根据预先设置的参数决定要采取的措施， 并将信息传给下位机， 由下位机控制通风和喷灌装置， 也可以通过键盘强制控制。 如图 3.1与 3.2 所示。图 3.1 总体结构图图 3.2 系统框图4 系统硬件设计温室大棚控制系统硬件部分主要由控制器模块， 电源电路模块， 空气温湿度从机加热系统通风系统渗灌系统补光系统报警系统空气温湿度传感器信号放大电路土壤水分传感器光强传感器二氧化碳传感器MAX485 上位机LCD 显示系主机 无线通信模块测量电路模块， 土壤湿度测量电路模块， 光强测量电路模块、 二氧化碳浓度测量电路模块，显示电路模块，报警电路模块、通信电路模块、控制电路模块组成。4.1 控制器模块本设计的控制器模块选用 CC2530， 它是用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4 、 ZigBee 和 RF4CE 应用的一个真正的片上系统（ SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。 CC2530 结合了领先的 RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型 8051 CPU，系统内可编程闪存， 8-KB RAM 和许多其他强大的功能。 CC2530 有四种不同的闪存版本： CC2530F32/64/128/256 ，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。 CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。(1) 标准功能：适应 2.4-GHz IEEE 802.15.4 的 RF收发器，极高的接收灵敏度和抗干扰性能，可编程的输出功率高达 4.5 dBm，只需极少的外接元件，只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要， 6- mm ×6 -mm 的 QFN40 封装，适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规： ETSI EN 300 328 和 EN 300440（欧洲），FCC CFR47 第 15 部分 ( 美国 ) 和 ARIB STD-T-66（日本）。(2) 在外部结构上， CC2530 包括许多不同的外设， 允许应用程序设计者开发先进的应用。 调试接口执行一个专有的两线串行接口， 用于内电路调试。 通过这个调试接口， 可以执行整个闪存存储器的擦除、 控制使能哪个振荡器、 停止和开始执行用户程序、执行 8051 内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。 使用这些技术， 可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。设备含有闪存存储器以存储程序代码。 闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。 闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。 闪存控制器允许页面擦除和 4 字节编程。I/O 控制器负责所有通用 I/O 引脚。 CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制， 如果是的话， 每个引脚配置为一个输入还是输出， 是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。 CPU 中断可以分别在每个引脚上使能。 每个连接到 I/O 引脚的外设可以在两个不同的 I/O 引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。4.2 空气温湿度测量电路模块本设计选择 SHT10 数字式温湿度传感器来检测温室大棚中空气的温湿度。SHT10 数字式温湿度传感器是由 Sensirion 公司推出的一种可以同时测量湿度、温度的传感器， 不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、 温度的数字信号，可以有效地解决传统温、 湿度传感器的不足。 其特点： 温湿度传感器、 信号放大、A/D 转换、 I2C 总线接口全部集成于一个芯片上 ( CMOSens技术 ) ； 全校准相对湿度及温度值输出；具有露点值计算输出功能；免外围元件；卓越的长期稳定性；测量精度高， 湿度的精度为 ± 3. 5， 温度的精度为 ± 0. 5℃ ( 在 20℃ 时 ) ； 可靠的 CRC数据传输校验功能；片内装载的校准系数，保证 100%的互换性；电源电压为 2. 4~5. 5V[6]。引脚功能：1（ GND） ：接地；2（ DATA）与 3（ SCK） ：串行数字接口，其中 DATA 为数据线；4（ VDD ） ：接电源。如图 4.1 所示， SHT10 数字式温湿度传感器来检测温室大棚中空气的温湿度，并将检测到的信号传送给单片机的 P0 口，让单片机处理。图 4.1 SHT10 数字式温湿度传感器连接电路图4.3 土壤湿度测量电路模块本设计选择 FDS-100 型土壤水分传感器检测土壤中水分的含量。FDS-100 型土壤水分传感器引脚功能 [7]如下：红线（ VDD ） ： 5-12 V 电源输入黄线 ( V-OUT) ：电压输出 0～ 1.875V DC黑线 ( GND) ：地线功能及特点：(1) 本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。(2) 结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。(3) 外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。(4) 土质影响较小，应用地区广泛。(5) 测量精度高，性能可靠，确保正常工作。(6) 响应速度快，数据传输效率高。FDS-100 型土壤水分传感器经过 LM358 经信号放大输送至单片机 P0口， 电路如图 4.2 所示。图 4.2 FDS-100 型土壤水分传感器连接电路图4.4 光强测量电路模块本设计选择 TSL2561 光强传感器检测温室大棚的光照度。各引脚的功能 [8]如下：脚 1 和脚 3 分别是电源引脚和信号地。 其工作电压工作范围是是 2.7V-3.5V。脚 2，器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同，该器件有 3 个不同的访问地址。脚 4 和脚 6，总线的时钟信号线和数据线。脚 5 中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程设置的上或下阈值时 器件会输出一个中断信号。TSL2561 光强度数字转换芯片与单片机 P0相接， 电路原理图如图 4.3 所示。图 4.3 TSL2561 光强传感器连接电路图4.5 二氧化碳测量电路模块本设计采用 SH-300-DH 二氧化碳检测模块检测大棚内的二氧化碳浓度。该模块主要应用于 CO2 含量的检测，具有体积小，反应灵敏，检测精度高等优点。其主要性能参数 [9]如下所示 :(1) 检测范围： 0-3000PPM；(2) 精度： 0-3000PPM， 10-50℃ ；(3) 响应时间：小于 30 秒 ( 0-80%) ，数据更新时间 :2 秒；(4) 预热； <90秒 (25 ℃ ) ；(5) 输出：模拟： 0-3V；(6) 输入电压： DC7V-12V；该模块具有模拟量输出和数字量输出两种方式， 在系统设计中， 采用的是数字通信方式，该传感器的数字输出脚直连到单片机的 RXD 管脚上。电路图如图4.4 所示。图 4.4 SH-300-DH 二氧化碳传感器连接电路4.6 报警电路模块本系统专门设计了报警电路模块，由晶体管和蜂鸣器组成。由单片机 I/O 口输出信号控制晶体管的导通或截止， 晶体管导通， 则蜂鸣器报警。 当某个监控参数长时间 ( 具体时间由程序设定 ) 超出其合理的上下限范围时， 报警系统启动。 它与单片机的连接电路如图 4.5 所示。图 4.5 报警电路4.7 通信电路模块本系统的通信电路模块分为主机与从机之间的无线通信和单片机与上位机之间的串口通信。主机与从机之间的无线通信主要是主机把采集到的空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度以及光强照度的数据通过一对配置的 nRF905无线收发模块发送到从机，从机接收数据并控制加热系统、通风系统、滴灌系统、补光系统以及报警子系统的运行。nRF905 是挪威 Nordic 公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9~3.6V， 32 引脚 QFN 封装（ 5mm× 5mm），工作于 433/868/915MHz3 个 ISM频道。 nRF905 可以自动完成处理字头和 CR (循环冗余码校验 )的工作， 可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码 /解码，使用 SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以 - 10dBm 的输出功率发射时电流只有 11mA，在接收模式时电流为 12.5mA[10]。单片机由 I/O 端口控制 nRF905 模块的状态接口、模式接口和 SPI 接口。 nRF905 详细结构图如图 4.6 所示。4.6 nRF905 结构图主机与从机之间的通信通过无线收发模块实现。以 AT89S52 单片机为微控制器，与设计好的 nRF905 无线收发模块相连接，具备数据发送和数据接收的功能。连接电路由一对配置 nRF905 模块构成，其中一端作为发送端，另一端作为接收端。主机与从机之间无线通信连接电路图见附录 1。本系统的单片机与上位机之间的串口通讯采用符合 RS-485 电气标准的MAX485 芯片。 RS-485标准的特点：采用差动发送 / 接收，共模抑制比高，抗干扰能力强；传输速率高，它允许的最大传输速率可达 10Mb/s( 传送 15m) ；传送距离远，采用双绞线，在不用 MODEM 的情况下，当以 100kb/s 的传输速率时，可传送的距离为 1.2km； 能实现多点对多点的通信， RS-485 允许平衡电缆上连接32 个发送器 / 接收器对。它非常适合温室大棚规模扩大时的测控系统的扩展。单片机和上位机之间的通信必须用 RS232/RS485转换器 EM485B 将电平进行转换。MAX-485 与单片机连接电路，如图 4.7 所示。图 4.7 单片机与上位机通信电路图5 主要特点5.1 信号检测的多元化本特点指检测信号有温度、 湿度、 光照度、 二氧化碳浓度等多种不同类型的信号，并且同一种类型的信号又有若干多个检测点。5.2 信号检测的连续化系统对温室内多种环境参数信息的检测是一个动态的连续过程。 由于外界气候环境的变化具有很大的随机性， 要实时保持温室内环境的相对稳定， 必须对其进行连续监测。5.3 数据采集与处理的实时化为了保证实时地检测温室内环境的变化， 数据采集与处理要满足一定的时间限制，以便能实时做出评价，采取相应的控制措施，抵御自然灾害的袭击，预防意外事故发生。5.4 系统功能的易扩充性系统设计采用面向对象机制和模块化结构设计， 在不需改动系统结构的情况下，容易增加新的模块，使系统的功能扩充容易、方便。5.5 硬件结构该系统的硬件结构如图 5.1 所示，它由 3 部分组成： （ 1）信号转换部分。其功能为通过传感器拾取温室大棚内的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度信号，以满足数据采集卡对信号的要求； (2) 信号采集分析处理和控制部分。其功能为实现数据采集 , 对采集数据进行分析加工处理， 输出相应的控制信号； (3) 伺服机构部分。其功能是执行相应的控制命令。图 5.1 系统硬件结构5.6 系统软件设计整个系统的结构如图 5.2 所示。 从图中可以看出， 整个系统软件由 3 大部分组成： 1 数据采集软件，包括系统的初始化、数据采集卡的初始化、数据采集和数据传输； 2 信号处理和控制软件。包括信号比较分析、决策控制信息的传输。数据采集和数据处理两部分是互相联系的， 它们之间用数据缓冲区作为联系的纽带； 3 伺服软件。包括温度调节、湿度调节、光照调节和二氧化碳施放程序。图 5.2 系统软件结构6 结论本次设计结合单片机技术、 传感器技术和物联网技术， 构建了一个基于物联网技术的温室大棚控制系统。 本系统是本着在不影响功能实现的前提条件下尽可能降低生产成本的宗旨，以检测并调节空气温湿度、土壤湿度、 CO2 浓度和光照度为主要目的的测控系统。 该系统可以实现对温室大棚参数信息的实时检测和调整并报警， 将采集信息传送给控制主机， 再结合有线技术传送给上位机， 将无线技术和有线技术结合起来， 实现远程参数的无线控制。 结果表明， 该控制系统具有良好的扩展性和实用性， 实现了温室的智能化测控管理， 降低劳动强度。 同时能够很好的推动农业信息化。