智能温室自动监控系统的研究

. . . 分类号： 单位代码：10019密 级： 学 号：学位论文智能温室自动监控系统的研究RESERCCH ON THE SUPERVISORY AND CONTROL SYSTEM FOR INTELLIGENT GREENHOUSE研究生： 学坤 指导教师： 宾 教 授 合作指导教师： 诸 刚 副教授 申请学位类别： 工程硕士 专业领域名称： 机械工程 研究方向：所在学院： 工学院 2010 年 10 月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作与取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了意。研究生签名： 时间： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分容。(的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名： 时间： 年 月 日导师签名： 时间： 年 月 摘要针对我国关键词：35个，中间用“，”号分开ABSTRACTContent Key words:目 录第一章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国外温室自动控制技术的研究现状21.3 温室自动控制技术的发展趋势31.4研究的主要容与技术路线4第二章 系统总体设计与主要元器件选取102.1 智能温室自动监控系统的功能要求62.2 系统总体方案设计72.3 主要元器件的选取10第三章 系统硬件电路设计143.1 系统主板电路设计143.2 数据采集电路设计153.3超线程报警电路设计163.4输出控制电路设计173.5串口通讯接口电路设计18第四章 系统硬件电路设计144.1 系统主程序设计144.2 数据采集子程序设计154.3标度变换子程序设计16第五章 上位机监控软件设计145.1 上位机监控软件拟实现的功能145.2 上位机监控软件开发工具的选择155.3上位机监控软件的开发16第六章 系统的调试与运行146.1 模块调试阶段146.2 整体联调阶段15第七章 结论与建议30致32参考文献33附录35个人简介3837 / 42第一章 绪论1.1研究的目的和意义植物的生长发育与外界环境条件密切相关。环境因子的变化，直接影响着植物生长发育的进程和生长质量。光照度、温度、水分、和CO2浓度等影响植物生长发育的生存因子，是植物生长过程中不可缺少又不能替代的。这些因子中不论哪个发生变化，都会对植物的生长发育产生影响。我国幅员辽阔，各地气候差异很大，同一地区在不同季节、不同天气条件下，光照度、温度、湿度等因子亦不一样，大多数植物的生长适宜温度在1233之间，以地区为例，2009年，平均气温在12以下的天数为152天，占到全年的41.6%（统计年鉴2010），有五个多月的时间由于气温较低不能从事生产；而且植物不同生育期对环境因子的要求有所不同，不同植物对环境因子的要求也不同，仅靠自然条件很难满足和调节。我国人口众多，关系农业生产的各种资源相对偏少。截至2009年，人均占有耕地面积为1.39亩，仅为世界平均水平（人均3.75亩）的37%；人均占有水资源量为2200立方米，不足世界平均水平的1/4，是全球人均资源最贫乏的13个国家之一。在未来几十年，我国人口还将持续增长，如何解决用较少的资源去养活较多的人口这一尖锐矛盾具有战略意义。（全球视野中的中国人口增长态势）。温室是利用温室效应原理，采用自动控制技术、信息技术、机械技术、电子技术、接口技术等现代工程技术手段和工业化生产方式, 为动植物生产提供可控制的适宜生长环境, 充分利用土壤、气候和生物潜能, 在有限的土地上获得较高产量、品质和效益的一种高效、集约化的农业设施。温室可以摆脱自然条件和气候条件的制约，延长生产时间，实现农作物的全天候生产。智能化温室拥有温室环境智能监控系统,可以准确地采集温室大气温湿度、土壤温湿度、光照强度、溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速以与作物生长状况等参数,将室温、光、水、肥、气等诸多因素综合,根据不同作物、作物不同生长阶段对环境因子的不同要求,通过执行机构协调到最佳状态,节能最高可达50%,并有节水、节肥、节药的效果。目前我国正在建设资源节约型社会（智能化温室的发展现状与趋势，朱芳冰,史春雨）。截至2009年，我国温室面积为1500余万亩，拥有环境智能监控系统的温室只占到0.4%左右，多数温室仍为简易设施，对环境因子的控制多为人工控制为主，缺乏科学的技术指标，更缺乏控制的手段和设备，盲目地补水、施肥、施药，不仅造成了产品品质下降，还会造成环境污染，危害农业的可持续发展。造成目前这种状况的原因有很多，资金和技术投入的相对不足是其中最主要的原因，研制一套符合我国国情、拥有独立知识产权、性价比高的温室环境智能监控系统，对于改变我国农业经济增长方式和实现农业的可持续发展具有十分重要的现实意义另一方面,由于不受季节的限制,对于农业科研也有着重要的意义。1.2国外温室自动控制技术的研究现状1.2.1国外研究现状国外温室栽培的起源于罗马。罗马哲学家塞卡( Seneca,公元前3年至公元69年)记载了应用云母片作覆盖物生产早熟黄瓜。公元1516 世纪，荷兰、法国等西欧国家开始建造简易温室用以栽培反季节的蔬菜或小水果，17世纪又出现了采用火炉和热蒸汽加热玻璃温室。19 世纪在英格兰、荷兰、法国出现了双面玻璃温室。19世纪末期, 温室栽培技术从欧洲传入美洲，并逐渐遍布世界各地。国外的现代温室，是于20世纪60年代开始建立并迅速发展起来的。20 世纪70年代以来， 西方发达国家在温室产业上的投入和补贴较多，温室发展十分迅速。荷兰、以色列、美国、日本等温室技术比较发达的国家，其温室硬件技术、智能控制技术、种苗技术、栽培技术、农产品深加工技术与农业自动化技术等都具有较高的技术水平,形成了完整的设施农业栽培技术体系，居世界领先地位。温室环境控制系统的发展大体经历了“手动控制-机械控制-分散电动控制-集中电子控制-计算机集成控制”这样几个发展阶段。传统的控制方式，很难模拟出植物生长所需要的环境，也难以对相互作用着的环境因子进行与时的调节。进入20世纪80年代，计算机技术迅速发展并且价格大幅下降，使得计算机控制系统成为温室环境控制系统的主流。美国是发明计算机最早的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一，温室综合环境控制技术水平非常高。系统对温室环境状况（包括气温、水温、土壤温度、管道温度、保温幕状况、通窗状况、泵工作状况、CO2浓度等）、温室外环境状况（包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等）进行监控与调节，提高了决策水平，减轻了技术管理的难度和工作量，为种植带来了很大方便，同时也给种植者带来了可观的经济效益。荷兰是世界上温室环境智能控制系统最为先进的国家，集成化的工业技术在设施农业中被广泛应用。目前，荷兰有超过85%的温室拥有环境智能控制系统。系统通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出历史数据曲线、实时测量的数据曲线，可以进行设定的时间段的数据查询，并能直接在上位机软件进行操作，实现上位机与下位机之间的通信。上位机软件集信息显示、参数设置、控制等功能于一体，能够很好地完成温室环境因子的控制和管理。以色列的温室设备材料、滴灌技术、种植技术与养殖品种的开发和培育均属世界一流， 尤其在设施灌溉技术方面处于世界领先地位，其高效、节水灌溉系统可把设施土壤的盐渍化程度控制在很低水平。日本是世界上温室面积最大的国家,其温室智能控制系统可以将温度、湿度、二氧化碳浓度和肥料等环境因子控制在最适合植物生长发育的水平上，所开发的设施栽培计算机控制系统可以比较全面地对设施栽培植物所需环境进行多因素监测与控制。日本还是世界上温室果树栽培面积最大、技术最先进的国家，也是世界上最先采用工业成套设备从事鱼类养殖的国家之一。近年来，国外信息技术、遥感技术、航空航天技术在农业领域的不断应用，推动温室自动控制技术朝着标准化、智能化、网络化、系统化的方向迅猛发展。农业设施工厂化已成为世界各国农业的重要标志，智能温室自动监控系统已经普遍应用。1.2.2国研究现状我国温室种植的历史源远流长，是温室的发源地之一，早在汉时期就有了采用保护措施种植作物的记载。公元前33年西汉时期，出现了类似温室的生产场所，唐朝就可以利用地热资源种植蔬菜，明朝的温室蔬菜生产已具相当的规模，清朝出现的一种戳立油纸糊纸简易温室，则被视现代温室的最初形态。我国近代温室开始于20世纪30年代的冬季不加温“日光温室”（后被命名为式温室），20世纪70年代末80年代初，通过技术的引进和消化吸收，我国的温室产业开始了工业化进程，至20世纪80年代末，已初步形成了温室工程技术体系。进入20世纪90年代，国家加大了对农业科技的投入，我国温室产业进入了一个高速发展期，温室逐步向规模化、集约化和科学化方向发展,技术水平有了大幅度提高。进入21世纪之后，随着国家相关科研项目的启动,在学习借鉴、吸收消化国外先进技术成果的基础上,中国的温室技术，尤其是温室环境自动监控技术有了较快发展,种植面积和控制水平不断提高。截至2009年,全国温室面积为777 000 hm2，其中日光温室和连栋温室面积81 000 hm2，大棚面积465 000 hm2，中小棚面积231 000 hm2。与此同时,我国温室环境监控系统的研发也有了突破性进展,初步形成了具有中国特色的温室产业与技术体系, 温室工程的总体水平有了明显提高,取得了可观的经济、社会和生态效益。我国的温室自动控制技术研究开始于20世纪80年代， 90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所研制开发了基于Windows操作系统的温室控制与管理系统；90年代中后期，理工大学毛罕平教授等研制开发了可以对营养液系统、温度、光照等环境因子进行控制的温室软硬件控制系统，是当时温室计算机控制系统国产化较为典型的研究成果。 90年代末，职业技术师学院的闫忠文等研制的蔬菜大棚温湿度测量系统可以对温室的温湿度进行实时检测与控制；中科院智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境DET系列软件”和智能温室自动控制系统；中国农业大学研制成功“WJG-1”型分布式温室环境监控计算机管理系统，在国处于领先水平；省农科院自动化控制中心研制出“GCS-I型智能化温室自动控制系统”。2001年，“十五”攻关项目“温室环境智能控制关键技术与开发”启动，中国农业大学研发的“基于RS-485总线的温室控制系统”在市顺义农业技术示区进行了为期两年的运行和测试，达到预期效果；大学研制了多种型号温室自动控制系统，可以适应我国不同地区对环境控制的不同要求；市数据通信局CDPD(蜂窝数字分组数据)环境监控示系统在温室自动控制领域也有很好的应用效果；市农业机械研究所研发的节能日光温室可以适应不同领域、不同地域对温室的需求、并且研制出了现代化温室环境智能控制系统等设施设备。经过30年的发展，我国的温室环境自动控制技术已取得了长足的进步，目前已经已经完成了从引进吸收、简单应用阶段到自主创新、综合应用阶段的过渡，但是同国外系统相比，无论技术水平还是应用水平，都存在较大差距。1.3温室自动控制技术的发展趋势随着计算机技术、网络技术、农业技术、机电一体化技术的进步，温室技术将向智能化程度高、操作简便直观、管理方式多样、系统可靠廉价等方向发展，具体表现在以下几个方面：（1）智能化程度高。 温室系统变量多、惯性大、非线性、干扰强，温室外各环境因子随着季节和天气变化的趋势都很难预知，各因子之间的相互关系尚不能完全明确，不同作物、同作物不同生长阶段对各因子的要求亦不一样，在多因子环境控制数学模型的建立、高性能控制器的研发等方面都做大量艰苦的工作；（2）操作简便直观。 目前，智能温室控制系统大多依靠人工经验来管理，缺乏系统、科学地指导，农业科技人员数量不足，在现场时间无法保证，技术水平参差不齐，专家系统具有综合农业知识和高速处理水平，对于生产状况有强大的决策建议能力，并具有自诊断功能，是现阶段温室自动控制技术发展的主要趋势之一；（3）管理方式多样。 近年来，互联网技术和移动无线通讯技术得到了极大发展和普与，计算机和手机已经为大部分人拥有和使用，通过互联网和手机进行信息采集和决策实施是未来温室控制趋势所在，此外，视频监控技术能够对作物生长状况、设备运转状况等进行直观观察，视频监控技术与互联网技术和移动无线通讯技术(3G技术)的结合将是大势所趋；（4）系统可靠廉价。 温室是一个高温、高湿的环境， 而且还会遭受大风、冰雹、雨雪、雷击、电磁辐射等自然灾害的侵害，自动监控系统一旦出现误动作或拒动作，将对温室作物和温室的仪器造成极大影响，而且极难恢复，农业用户购买力低，对温室运行和维护的投入不足，因此，研发既可靠又廉价的温室环境自动监控系统极具现实意义。1.4研究的主要容与技术路线1.4.1研究的主要容根据我国北方气候特点和自然环境条件，以节能型日光温室为控制对象，设计和研发一套性能优良、稳定可靠、价格低廉的智能温室自动监控系统，该系统以AT89S52单片机为核心，结合组态技术，以空气温湿度、土壤湿度、光照度、CO2浓度为控制对象，具体包括以下几项主要容：(1)系统总体设计。在对系统控制目标、控制对象、实施场合综合分析的基础上，确定合理的设计方案，并对软件和硬件的各子系统、各模块的功能进行划分，形成系统总体模型；(2)硬件系统设计和元件选择。按照“可靠廉价”的原则，设计数据采集、数据显示、超线程报警、通讯接口等电路，并选择适合、可靠、廉价的元器件，构建符合要求的硬件系统；(3)软件系统设计。系统软件分为下位机软件和上位机软件。下位机软件采用汇编语言编写，可脱离上位机软件独立运行；上位机软件采用组态王软件设计，可以实现数据的采集与查询、执行元件的控制、现场的视频监控等功能；上位机与下位机之间采用串口通讯；(4)系统的调试与运行。在子系统调试成功的基础上，对整个系统进联调，消除错误与干扰，实现系统可靠稳定地运行。1.4.2技术路线拟采用技术路线的流程图如下：图1-1 技术路线流程图第二章 系统总体设计与主要元器件选取植物的生长除了自身遗传特性以外，与环境因子的变化密切相关，光照度、温度、水分、和CO2浓度等都是直接影响植物生长发育的生存因子，智能温室自动监控系统就是对这些因子的数值进行采集，与系统设定的数值进行比较，当采集数值不在设定数值的区间时，系统启动调节装置，直至采集数值落入设定数值的区间。2.1智能温室自动监控系统的功能要求智能温室自动监控系统是在温室控制面板和监控软件上实现对温室设备的监测、控制功能，实现监视温室状态和运行参数、接收故障报警信息、下达控制信号，并具有视频监控功能、分级报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。(1)状态与数据采集功能系统能够实现对运行参数（包括空气温度、空气湿度、光照度、CO2浓度、土壤湿度等）和温室状态（包括各传感器状态、遮阳系统状态、风机状态、湿帘状态、滴灌系统状态、补光灯状态、加热系统状态等）的动态采集。(2)状态与数据的分析处理功能能对采集数据进行存储；能对监控参数进行趋势分析；能对历史趋势进行查询和分析；能对监控参数的异常状态进行关联分析。(3)状态与数据的显示功能系统能够实现对主要设备运行状态的显示；主要参数实时曲线与趋势的显示；相关参数历史曲线与趋势的显示；历史数据与特种记录的显示温室实时工况的视频显示。(3)报警和事件功能系统能够实现对监控的温室状态、运行参数的异常状态(包括偏差报警、超限程报警、变化率报警等)进行报警，并进行记录(包括报警类型、发生时间、报警变量名称、监测参数数据、处理措施等)，并能自动生成异常状态数据库以供查询。此外，系统还可以对发生事件（包括操作事件、登录事件、工作站事件、应用程序事件）进行报告。(4)存储功能系统能够实现对各种监控数据、各种报警和事件、各种控制方案数据的存储。(5)查询功能系统能够实现对各种监控参数的历史数据、各种监控参数的曲线与趋势、各种报警和事件、各种控制方案数据的查询。(6)报表与打印功能系统能够实现各种报表（包括报警和事件报表、实时曲线报表、历史曲线报表、控制方案数据报表）的自动生成打印。2.2系统总体方案设计2.2.1智能温室自动监控系统的一般结构智能温室自动监控系统一般可以分为集中式和集散式两大类。（1）集中式温室自动监控系统集中式温室自动监控系统采用主机-终端模式，它是用以STD总线或者PC总线为基础的工业控制计算机来进行温室的数据采集和监控报警。集中式温室自动监控系统在工业控制计算机插入若干块I/O卡件,通过各传感器将测得的物理量转换成电压或者电流信号，送入数据采集卡，由计算机完成数据处理工作，需要控制时，由计算机通过DO卡件输出控制信号，通过驱动装置驱动被控对象。图2.1为以工业控制计算机为基础的集中式温室自动监控系统的结构框图。图2-1 集中式温室自动监控系统从图中可以看出，数据采集、信息处理、执行元件驱动等工作集中在一台计算机中，能够实现全局管理，操作简单，价格低廉，但是系统传送的大多数是非电量的物理信号或者微弱的电信号，抗干扰能力差、误差大、电缆成本高、安装维护不方便。而且数据采集、控制、图形画面显示等所有工作都由一台计算机完成，一旦CPU主板出现错误，则会导致整个系统瘫痪。（2）集散式温室自动监控系统集散式温室自动监控系统，也被称作分布式温室自动监控系统，采用服务器-客户模式，它将整个系统的目标和任务按一定方式分配给若干个子系统，PC机作为上位机仅实现辅助功能，脱离上位机，整个控制系统仍可独立工作，子系统之间也可进行信息交换。图2.2为以集散控制系统为基础的温室自动监控系统结构框图。图2-2 集散式温室自动监控系统从图中可以看出，数据采集、信息处理、执行元件驱动等工作主要由下位机来完成，与集中式监控系统相比，集散式系统抗干扰能力强、误差小、电缆成本低、安装维护方便而且各子系统功能独立，即使某一子系统失效，只会影响局部功能，故障围不会扩大，而且上位机出现故障或退出运行时，各子系统仍然能够继续工作。2.2.2智能温室自动监控系统的设计智能温室环境复杂恶劣，监控变量多，惯性大，干扰强，宜采用集散式温室自动监控系统。集散式温室自动监控系统的上位机多采用采用工业控制计算机，下位机（智能控制器）多采用可编程控制器或单片机构建。表2-1显示的是四种常用控制计算机的性能比较。表2-1 常用控制计算机的性能比较比较项目计算机类型PC机单片机PLC工业控机系统功能数据、图像、文字处理简单逻辑、模拟量控制逻辑控制为主，可配模拟量模块逻辑和模拟量控制硬件设计无需设计复杂简单简单程序语言多种语言汇编语言、C语言梯形图多种语言软件开发复杂复杂简单较复杂运行速度快较慢慢很快带负载能力差差强强抗干扰能力差差强强成本较高很低较高很高从表中可以看出，基于工业控制机的控制系统硬件开发量小，软件组态方便，易于实现温室的群控和网络化管理，但是价格昂贵，安装费用和后续维修维护费用也较高，普通的农户难以承受， 如采用PC机作为上位机，虽然性能较工业控制机差一些，但仍可满足要求，且成本仅为工业控制机的1/4左右，目前PC机在家庭中已经得到普与，这笔投资可以省去，而且随着互联网技术的发展，更易实现远程管理。可编程控制器（PLC）控制力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期工作，非常适合温室的控制要求（何世钧，2000），但是，温室控制多是模拟量输入和输出，通用PLC的模拟量输入和输出口数量有限，需要定制专用的PLC或采用扩展模块，因此投资很大，一般都会超过万元。如采用单片机作为下位机核心，固然需要开发接口电路和底层程序，但是系统成本优势依然明显，解决可靠性和防干扰的问题，系统控制精度高,响应速度快,完全可以满足温室控制系统的需求。综合技术和成本等因素，拟采用集散式控制系统PC机+单片机系统。下位机以单片机为核心CPU，通过接口电路和驱动电路与各数据采集模块和执行元件构成控制系统，可独立运行，也可与PC机通过串口进行通讯，受PC机控制，图2.3为本系统的结构框图。从图中可以看出，整个系统可以分为以下五个模块：（1）控制模块 由单片机、多通道信号输入电路、多通道信号输出电路、输入设备、控制平台、显示装置等组成，负责将数据采集模块采集的数据进行数据计算和逻辑判断，并根据分析结果，对驱动电路发出指令，实现对温室环境的监控。向上位机发送设备状态和数据信息，并根据上位机的指令对驱动电路下达指令；（2）数据采集模块 由各传感器、放大器、A/D转换器等组成，负责采集温室环境因子的采集，并将模拟信号转换为控制模块可识别的数字信号；（3）通信模块 采用串口实现上位机和下位机之间的通讯，在上位机监控软件上动态显示和记录系统各设备的运行状态和温室环境因子的数值，并可通过监控软件进行设定参数的修改；（4）驱动模块 由各驱动电路组成，负责在控制信息的作用下提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能，实现对温室环境的控制；（5）视频监控模块 由视频采集卡、数码摄像机、云台控制器组成，负责对系统各设备的运行状态进行视频监控，避免意外的发生。图2.3 系统结构框图2.3主要元器件的选取2.3.1单片机的选取单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统（百度百科）。单片机按照CPU位数可分为1位机、4位机、8位机、16位机、32位机等类型，其中1位机和4位机指令不丰富，编程复杂，主要用于简单的控制;16位机和32位单片机虽性能优越，但价格较贵，限制了其应用围；8位机指令丰富，性价比高，是工业控制领域的主流机型。单片机的厂商和系列很多，比较著名的有Intel公司的MCS系列、ATMEL公司的AVR系列、Microchip公司的PIC系列等。根据“选大(大厂)不选小，选多(供应量多)不选少，选名(名牌)不选渺(飘渺,不知详情的厂子),选 (廉价)但要好(质量保证)”的选型原则，美国ATMEL公司的AT89系列单片机片的程序存储器采用FLASH存储技术，编程和擦除时间短，并可反复编程，运算速度快，体积小，在家用电器和仪器仪表中得到了广泛应用，表2-2给出了AT89系列主要产品类型的特点。表2-2 AT89系列主要产品类型的特点产品类型RAM容量(字节)定时器个数中断源个数晶振频率（MHz）封装引脚个数价 格元AT89C5112825024402AT89C5225638024403.2AT89S5112826033403AT89S5225638033404.5注：价格来源于淘宝网，为批发的平均价格经综合考虑，本系统决定选用AT89S52型单片机，此种机型性价比极高，一经推出就得到了广大用户的青睐，其主要性能如下与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33MHz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。2.3.2传感器的选取传感器是系统检测环节的重要组成部分，用于将温室环境因子等非电物理量转变为控制系统可识别的电信号，为系统管理人员提供判断和处理的依据。其质量与性能的好坏，直接决定着整个智能温室自动监控系统性能的优劣。传感器的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、漂移、精度等，在选择传感器时，不是要求这几项指标均最优，而应根据实际情况，在保证主要性能指标满足要求的前提下，兼顾价格、可靠性等因素，使性价比达到最高。（1）空气温湿度传感器的选取大多数作物的生长适宜温度在1233之间，温室温度测量围一般在050，湿度测量围为0%100%RH,系统选用的空气温湿度传感器是昆仑海岸传感技术中心生产的JWSL-5ATW温湿度变送器，其供电电压是24VDC,测量围是温度050, 湿度测量围为0%100%RH，输出信号为（420）mA，精度为温度0.5，湿度3%RH，部采用了专用温度补偿电路和线性化处理电路，精度高，低漂移，响应速度快，抗干扰能力强，性能可靠，使用寿命长，而且输出信号线性很好，可远距离传输，经精密电阻变换为标准的O5V电压信号后可直接输入到A/D转换器中。（2）照度传感器的选取光是植物进行光合作用的主要能源，与光照强度和光照时间有关系，系统选用的是昆仑海岸传感技术中心生产的ZD系列照度变送器，其采用高灵敏度的硅蓝光伏探测器作为传感器，具有测量围宽，使用方便，便于安装，传输距离远等特点。其供电电压为24VDC，精度为7，测量围：020万Lux，输出信号为（420）mA，操作环境温度为070，湿度为070RH。（3）土壤湿度传感器的选取温室的水分收支状况决定了土壤湿度，而土壤湿度直接影响到作物根系对水分、养分的吸收，进而影响到作物的生育和产量品质。系统选用的是清胜电子科技生产的FDS-100土壤湿度传感器，其供电电压为24VDC，测量围为0%100%RH，测量精度为3%，输出信号为（020）mA，测量区域：以中央探针为中心，围绕中央探针的直径为7cm、高为7cm的圆柱体，传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作与维护简单；结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命；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；土测量精度高，性能可靠，确保正常工作；响应速度快，数据传输效率高。2.3.3开关电源的选取系统的各传感器、电磁阀等检测元件和执行元件均以24VDC为供电电压，因此需要将220VAC转换为24VDC，系统选用的是金雨星技贸出品的威琅开关电源，其输入电压为AC90V264V，输入频率为4763Hz，输出电压为24VDC，输出电流为5A，使用温度为（-2555）,相对湿度85% RH，该电源具备短路、过载保护，体积小，重量轻，效率高，寿命长，使用方便，用途广泛。系统主板采用5VDC供电，因此系统选用了飞扬伟业电子出品的GF20-M系列开关电源，其输入电压为AC85V264V，输出电压为5VDC，输出电流为1A。又由于本系统使用AT89552单片机，芯片部的8K程序存贮器空间和256字节的数据存贮器空间可以满足本系统对存贮器资源的需求，但RAM属于易失型存贮器，掉电后则数据会丢失，系统每次上电后都需要重新设置某些参数，为了避免这种情况发生，系统的主板采用一+5VDC锂电池作为备用电源，系统正常工作时由主电源供电，一旦掉电则自动切入备用电源。2.3.4输出控制模块的选取智能温室自动监控系统的电机、水泵等执行机构需大电压或者电流来控制，而单片机系统输出的开关量大多为TTL电平，不能直接驱动这些执行机构开启或关闭。继电器是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。常用的继电器有电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等类型，其中电磁继电器最为常用，但是在开关瞬间，触点容易产生火花，会造成干扰，影响系统的可靠性。本系统选用西子继电器的38D025型单刀双掷电磁继电器，其触点两端并联一电容，可以消除开关时触点上产生的火花。其主要技术参数为: 负载最大电压为24VAC一500VAC，负载最大电流为25A，通断电压为24V，通断电流为25A。另一方面，由于单片机系统输出的开关量大多为TTL电平，也不能直接驱动继电器线圈，需要使用达林顿管来驱动，系统选用的是安森美半导体元件工业生产的ULN2803型达林顿管，其输入参数为TTL电平，5.0V COMS，输出最大电压为50V，输出最大电流为500mA。2.3.5开关电源的选取系统的各传感器、电磁阀等检测元件和执行元件均以24VDC为供电电压，因此需要将220VAC转换为24VDC，系统选用的是金雨星技贸出品的威琅开关电源，其输入电压为AC90V264V，输入频率为4763Hz，输出电压为24VDC，输出电流为5A，使用温度为（-2555）,相对湿度85% RH，该电源具备短路、过载保护，体积小，重量轻，效率高，寿命长，使用方便，用途广泛。系统主板采用5VDC供电，因此系统选用了飞扬伟业电子出品的GF20-M系列开关电源，其输入电压为AC85V264V，输出电压为5VDC，输出电流为1A。又由于本系统使用AT89552单片机，芯片部的8K程序存贮器空间和256字节的数据存贮器空间可以满足本系统对存贮器资源的需求，但RAM属于易失型存贮器，掉电后则数据会丢失，系统每次上电后都需要重新设置某些参数，为了避免这种情况发生，系统的主板采用一+5VDC锂电池作为备用电源，系统正常工作时由主电源供电，一旦掉电则自动切入备用电源。2.3.6视频采集模块的选取视频监控模块是安防系统的重要组成部分，视频监控以其直观、准确、与时和信息容丰富而广泛应用于许多场合。目前，视频监控可分为两大类: 模拟视频监控系统和数字视频监控系统。模拟视频监控系统的传输工具主要是同轴电缆，传输距离一般小于1km，而且系统扩展能力差；数字视频监控系统是控制信号和视频信息都采用数字化的方式，可以在通过网络在一个网络环境中传输的视频监控系统，目前有两种数字视频监控系统，一种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频Web服务器为核心的视频监控系统。数字监控录像系统是以视频录像为核心，进行视频的采集、处理、传播，同时，并存的控制信息也通过网络进行。该方式采用计算机网络技术，使得数字多媒体远程网络监控不受距离限制，还可以采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质，且视频信息以文件方式存储，方便信息查询。目前的数字录像机一般是采用工控机来实现，由工控机+视频采集卡+较可靠的操作平台+应用软件来组成，这样的系统价格较贵，难以应用在智能温室自动监控系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统与应用软件系统等组成，系统数据置于一般存储在flash memory中，调用速度快，不会被改变，稳定性好；嵌入式系统目前已发展到嵌入视频Web服务器阶段，由现场的摄像机送来的视频信号经数字化后，再由高效压缩芯片进行压缩，通过部总线送到置的Web服务器，网络上用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作，可以直接连入局域网，用户端也无需安装任何硬件设备，仅用浏览器即可观看。 系统选用的是网视通信息科技生产的Q系列网络（IP Camera），它集成了网络和web服务功能，用户只需通过web浏览器就可随时访问温室现场视频。摄像机采用MJPEG硬件压缩技术，可以在LAN/WAN上以最大30帧/每秒传输高质量的实时视频图像，并自带云台，支持全方位监看。每台设备分配了唯一设备序列号和动态域名，不需进行任何设置，当设备接入互联网，即可使用该域名访问设备。第三章 系统硬件电路设计本系统整体电路图详见附录一，下面就各主要模块的电路做一下说明。3.1系统主板电路设计系统主板电路的电路图如图3-1所示：图3-1 主板电路图从图中可以看出：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。P0口与？连接负责接收信号；P1口是一个具有部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）；P2口：P2 口是一个具有部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号；P3口：P3 口是一个具有部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，其中P3.0用作串行输入（RXD），P3.1 用作串行输出（TXD）；此外，RST用作复位输入，VDD为+5V电源输入端，GND为接地端；表3-1中给出了单片机各引脚的连接状态与实现功能表3-1 AT89S52单片机引脚的连接状态与实现功能引脚名称连接状态实现功能P0.0P0.7P1.0蜂鸣器负极超限程声音报警P1.1发光二极管LED1阴极空气温度超限程灯光报警P1.2发光二极管LED2阴极空气湿度超限程灯光报警P1.3发光二极管LED3阴极土壤湿度超限程灯光报警P1.4发光二极管LED4阴极光照强度超限程灯光报警3.2数据采集电路设计数据采集电路的电路图3-2所示：图3-2 数据采集电路从图中可以看出：选用IN1IN7作为模拟量的输入，当（A2A1A0）=000时,选择通道IN1，当（A2A1A0）=001时,选择通道IN2，以此类推，直至（A2A1A0）=110时，选择通道IN7。IN1为空气温度输入，IN2为空气湿度输入，IN3为土壤湿度输入，IN3为光照度输入；INT端为A/D转换完成信号，当A/D转换完成时，INT端变为高电平，AT89S52通过查询P2.2状态来判断转换是否结束；D0D7为转换结果输出端，与单片机P0.0P0.7分别连接，当转换完成时（即INT端变为高电平时），若CS和RD端同时为低电平，则结果可通过P0口读入单片机；当系统只需对模拟量转换数值实施读取，因此选择只读方式，即MODE=0（接地）方式。REF+和REF-端分别为参考电压正负端，因为系统对转换精度要求不是特别高，因此以供电电压作为参考电压；VDD为+5V电源输入端，GND为接地端；3.3超限程报警电路设计超限程电路的电路图3-3所示：图3-3 超限程报警电路从图中可以看出：系统采用4只发光二极管（LDE1LDE4）作为报警指示灯，分别表示空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度的超限程时的灯光指示，将发光二极管的阳极通过1K限流电阻与+5V电源相接，阴极分别与P1.1P1.4相连, 环境因子处于正常值时，P1口输出高电平，此时二极管不发光，环境因子超限程时，P1口输出低电平，二极管发光，实现灯光报警功能；采用一只蜂鸣器产生声音报警，由于其驱动电流仅为10mA，因此用P1.0口通过7404型驱动器接其负极，将其正极与+5V电源相接，环境因子处于正常值时，P1.0口输出高电平，此时蜂鸣器不工作，环境因子超限程时，P1.0口输出低电平，蜂鸣器开始工作，实现声音报警功能。3.4输出控制电路设计输出控制电路的电路图3-4所示：图3-4 输出控制电路从图中可以看出：系统选用ULN2803型达林顿芯片作为？型单刀双掷电磁继电器（Relay-SPDT）的驱动器。1B8B引脚为执行机构控制信号输入端（包含手动输入和自动输入两种形式），1C8C引脚为输出端，输入端和输出端引脚呈一一对应（即1 B对1 C）。驱动器8个输出引脚分别接8个单刀双掷电磁继电器输入端上，继电器的输出端分别接有风机、湿帘、遮阳等执行机构，当输入端由控制信号输入时，经ULN2803放大，可驱动对应输出端上的继电器吸合，这时对应的执行机构就会动作。VSS引脚为+24V电源输入端，GND为接地端；3.5串口通讯接口电路设计串口通讯接口电路的电路图3-5所示：图3-5串口通讯接口电路AT89S52单片机部有一个串行I/O口，通过引脚RXD和TXD可以和计算机进行全双工的串行异步通信。RS232总线是异步通信中应用较广的总线，但随着计算机技术的发展，支持热插拔的USB标准接口将取代RS232总线将成为趋势，因此，上图的串口通讯接口电路是采用CP2102作为USBRS232桥接器件计算机通过USB接口虚拟一个RS232接口，实现单片机与PC机之间的通讯。RXD引脚接单片机P3.1口，用作串行输出，TXD引脚接单片机P3.0口，用作串行输入，REGIN引脚为片电压调节器的输入，D+和D-为数字I/O口，是USB数据接口，GND引脚为接地端，使用SP0503作电平转换。第四章 下位机控制软件设计程序是下位机控制软件完成特定任务指令的集合。系统要完成数据采集、处理、传输等任务，就需要设计各种应用程序。汇编语言是常用的编程语言，能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口，能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度，能够最大限度地发挥硬件的功能，尤其是对于温室自动控制这样要求反应灵敏、控制与时的系统，其优越性更为明显。系统下位机控制软件分为主程序、子程序、中断程序等部分，下面予以分别介绍。4.1系统主程序设计主程序是程序的主干，是程序的入口，它的主要的任务是设置主程序的起始点、对系统初始化、显示用户界面、控制事件循环，当退出程序时，恢复系统的原始环境。系统运行时，首先启动主程序，然后再由主程序调用应用程序和其他组件。图4-1为系统主程序流程图。4.2数据采集子程序设计容4.3标度变换子程序设计容4.4超线程报警子程序设计容4.4超线程报警子程序设计容4.5上位机中断子程序设计容第五章 上位机监控软件设计5.1上位机监控软件拟实现的功能上位机监控软件是与用户直接对话的窗口，它在PC机Windows平台上运行，既要对温室进行实时的监控，又要向用户提供控制的方案与建议，具体的功能如下：(1)实时监控。用户通过监控软件可以实现温室各环境因子实现数据的采集与显示，实现对各传感器和设备的运行状态的显示，通过视频监控窗口还可以实现温室现场工况的实时观察；(2)参数设置。用户通过监控软件可以实现温室环境因子的目标控制参数的实时修改和设置；(3)专家指导。用户通过监控软件可以实现温室作物生长情况的报告，并可得到控制方案的建议；(4)报表查询。用户通过监控软件可以实现温室各运行参数实时报表、历史报表、日报周报表的查询；(5)事件报警。用户通过监控软件可以实现温室运行中异常情况的报警和对特殊事件的记录。5.2上位机监控软件开发工具的选择目前，上位机监控软件的开发方法有多种：可用VB、VC等可视化编程工具开发，也可直接利用工业组态软件来制作上位机程序。智能温室自动监控系统变量较多，功能要求齐全可开，所以选用工业组态软件来开发。当下常用的组态软件有InTouch、Ifix、组态王、紫金桥、图灵开物等，表5-1给出了常用的几种组态软件性能的比较。表5-1常用组态软件的性能比较组态软件InTouchIFixKingview（组态王）Controx（图灵开物）优点品牌知名度高，在用户心中对其认可度高；系统稳定，使用方便，画面组态部分较好；文档完备，驱动丰富。品牌知名度高；系统稳定，技术先进，支持VBA脚本，产品技术含量高；产品结构合理，系统开放性强，包括其IO驱动直接支持OPC接口；文档完备，驱动丰富。品牌知名度高，是国外组态软件的替代品；提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持；驱动丰富而且比较可靠；办事处多，本地化服务能力强；价格便宜。在市场的宣传、推广方面较好；对销售队伍的管理和考核比较完善，销售人员的跟踪能力比较强；有嵌入式产品。缺点产品价格偏高；缺乏符合国习惯的报表系统。产品价格偏高，技术支持、服务较差。组态王的WEB发布功能不支持控件得发布。产品效率较低，稳定性较差；数据处理和运算功能相对较弱。从上表中可以看出，组态王基于Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系统，适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。性价比高，各项功能比较完善，适合国用户的使用习惯，因此，采用组态王开发智能温室自动监控系统的上位机监控软件。组态王是亚控科技发展针对中小型项目推出的一款用于监视与控制自动化设备和过程的SCADA产品，其最新版本为Kingview6.53，它融过程控制设计、现场操作以与工厂资源管理于一体，将一个企业部的各种生产系统和应用以与信息交流汇集在一起，实现最优化管理。组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器与运行系统三部分构成。（1）工程管理器：是工程的管理维护工具，用于新工程的创建和已有工程的管理，可以实现已有工程的搜索、添加、备份、恢复以与实现数据词典的导入和导出等功能。（2）工程浏览器：是工程的开发设计工具，用于监控画面的创建、监控的设备与相关变量的定义、动画的、以与运行系统的配置等功能。（3）运行系统：是工程的运行工具，用于采集设备讯数据的获取，并可依据工程浏览器的动画设计实现动态画面的显示，人与控制设备的交互操作等功能。5.3上位机监控软件的开发使用组态王Kingview6.53平台开发一个上位机监控软件大致步骤如图5-1所示：图5-1 上位机监控软件大致步骤因开发的具体步骤复杂而繁琐，下面仅就其中核心部分予以说明。5.3.1变量的定义（1）组态王中变量的分类在组态王中，变量的基本类型共有I/O变量和存变量两类，其特性和应用围如表5-2所示：表5-2 I/O变量和存变量的特性和应用变量名称特性应用I/O变量可与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量，上位机或下位机改变，另外一方也会发生相应的更新温度、湿度、光照强度和CO2浓度等参数，与各传感器状态、各控制开关状态、各设备的运行状态等存变量不需要和其它应用程序交换或从下位机得到数据，只在“组态王”需要的变量计算过程的中间变量的变量按照数据类型又可分为离散型、实数、整数和字符串型，其取值围和应用围如表5-3所示：表5-3 变量的取值围和应用变量名称取值围应用离散变量0或1表示开关量实数变量取值围10E-3810E+38，有效值7位表示浮点数据整数变量（-2147483648）2147483647带符号的整型数据字符串型变量0128字符名称、密码（2）组态王中变量的定义方法组态王中不同类型变量定义的方法大概类似，下面以温度变量为例介绍一下变量定义的一般过程。首先在工程浏览器树型目录中选择“数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出“定义变量”对话框，如图5-2（a）所示：（a）“基本属性”选项卡 （b）“报警定义”选项卡图5-2 温度变量的设置在“基本属性”选项卡中设置如下：变量名为“温度”，变量类型为“I/O实数”，变化灵敏度为“0”，初始值为“0”，最小值为“-10”，最大值为“100”，最小原始值为“-10”，最大原始值为“100”，转换方式为“线性”，连接设备为“PLC1”，寄存器为“DECREA100”，数据类型为“USHORT”，采集频率为“1000毫秒”，读写属性为“只读”，设置完成后单击“确定”。在“报警定义”选项卡中设置如下：报警组名为“温室”，并设定报警限如图5-2（b）所示。在“记录和安全区”选项卡中，