摘? 要： 針對設(shè)施農(nóng)業(yè)全自動(dòng)控制的需要，研制了HQ-1型溫室智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、pH值、EC值、液位等24路模擬量的數(shù)據(jù)采集，以及天窗、遮陽網(wǎng)、通風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈等21路狀態(tài)開關(guān)量的檢測和自動(dòng)控制。
關(guān)鍵詞: 溫室? 單片機(jī)? 數(shù)據(jù)采集? 智能控制
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如何發(fā)展適合在中國廣大農(nóng)村推廣普及的先進(jìn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)是提高我國設(shè)施農(nóng)業(yè)總體技術(shù)水平的一個(gè)急待解決的問題。設(shè)施農(nóng)業(yè)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)是體現(xiàn)總體技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志，降低系統(tǒng)的總體成本、提高系統(tǒng)的可靠性成為發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵問題。為提高溫室技術(shù)水平，自1970年以來，國內(nèi)一些省市先后從國外引進(jìn)了一批現(xiàn)代化的溫室設(shè)備及控制系統(tǒng)。但這些設(shè)備和系統(tǒng)價(jià)格昂貴，運(yùn)行成本高，在國內(nèi)推廣普及困難。在中國科學(xué)院和安徽省農(nóng)業(yè)廳的大力支持下，在安徽省農(nóng)業(yè)高科技示范園，作者以80C51單片機(jī)為核心，獨(dú)立自主地完成了環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和智能控制系統(tǒng)的研制。本文對該系統(tǒng)作一介紹。
1 功能簡介
HQ-1型溫室智能控制系統(tǒng)具有以下功能:
(1)以數(shù)據(jù)和曲線形式實(shí)時(shí)顯示棚室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，并可查詢歷史記錄;
(2)實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、pH值、EC值、液位等24路模擬量的數(shù)據(jù)采集，以及天窗、遮陽網(wǎng)、通風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈等21路狀態(tài)開關(guān)量的檢測，并將24小時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫;
(3)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)開、閉情況;
(4)操作員通過設(shè)計(jì)的“軟開關(guān)”開閉各執(zhí)行機(jī)構(gòu);
(5)具有較完備的大棚作物知識(shí)庫和專家系統(tǒng);
(6)具有開放式的設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)時(shí)查詢、修改、增加和刪除大棚作物知識(shí)庫知識(shí);
(7)依據(jù)知識(shí)庫知識(shí)實(shí)行智能化管理和控制;
(8)通過人機(jī)交互設(shè)定滴灌開閉時(shí)間，對滴灌實(shí)施自動(dòng)控制;
(9)采用多媒體技術(shù)，對系統(tǒng)異?；蜃魑镆筮M(jìn)行語音提示。
2 硬件構(gòu)成
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
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HQ-1型溫度智能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。下位機(jī)以80C51為核心，對其外圍存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展，通過74LS138譯碼器將RAM地址空間分為8塊，每塊占8K地址空間。0000～1FFFH段的地址空間作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，用來存放從傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及檢測到的天窗等的狀態(tài)信息。U6、U8、U9為三片8路A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，分別用Y1、Y2、Y3進(jìn)行片選，占去2000～7FFFH段地址，作為采集24路溫濕度等傳感器數(shù)據(jù)的進(jìn)出口。80C51的I/O口P10用作控制RS-485半雙工串行通訊的收發(fā)，U7和U16是擴(kuò)展的并行I/O口，用Y4、Y5片選，占用8000～BFFFH段地址。從機(jī)系統(tǒng)通過P11～P17和U7、U16的PC口來控制繼電器的吸合，P1口、PC口與繼電器之間用光電耦合器進(jìn)行隔離，防止設(shè)備或繼電器的干擾影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這種控制方法不需要任何外圍附加器件或設(shè)備就能直接驅(qū)動(dòng)繼電器工作，而且一次只能開啟或停止一個(gè)繼電器的動(dòng)作，其它繼電器不受影響，因此可以很方便地實(shí)現(xiàn)任一路繼電器的控制。U7的PB0～2用作查詢A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，U7的PA口用作從站地址的輸入口，8位撥動(dòng)開關(guān)按二進(jìn)制編碼，用戶可以選用1～254作為從站地址。ON為0，OFF為1。U7的PB3～7和U16的PB口用作天窗等開關(guān)狀態(tài)的輸入口。
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單片機(jī)與主機(jī)的通訊采用RS-485串行通訊方式。SN75LBC184將RXD、TXD的TTL電平轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，以利于遠(yuǎn)距離傳送。在上位機(jī)利用SN75LBC184將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平，再通過1488和1489將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232的接口信號(hào)。
3 軟件構(gòu)成
軟件包括兩大部分，即上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件采用Visual Basic語言和Access數(shù)據(jù)庫編寫，下位機(jī)軟件采用匯編語言編寫，動(dòng)態(tài)鏈接庫用C語言編寫。
3.1 上位機(jī)軟件
上位機(jī)軟件包括如下模塊:專家系統(tǒng)模塊、自控系統(tǒng)模塊、滴灌系統(tǒng)模塊、手工控制模塊、查詢模塊、營養(yǎng)液模塊等。
3.2 下位機(jī)軟件
程序開始時(shí)，先關(guān)閉中斷，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。這包括單片機(jī)的各寄存器、RAM和外部I/O口(包括擴(kuò)展I/O口)的初始化、串行口的工作方式和波特率的設(shè)置等，同時(shí)還包括設(shè)置各種設(shè)備的起始狀態(tài)。完成初始化后，對24路傳感器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將每一路傳感器中的數(shù)據(jù)連續(xù)采集三遍，取中間的值作為該傳感器的數(shù)據(jù)(中值濾波)。24路全部處理完后，檢測天窗、遮陽網(wǎng)等的開關(guān)狀態(tài)，并將各傳感器數(shù)據(jù)和開關(guān)狀態(tài)信息存入相應(yīng)的RAM，再開中斷。之后，程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集、濾波、讀狀態(tài)信息的循環(huán)等待呼叫狀態(tài)。接到呼叫后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理，接受命令，轉(zhuǎn)入命令處理。命令處理包括傳送數(shù)據(jù)及報(bào)告故障信息、控制各電機(jī)的啟動(dòng)與停止，以及各補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器等的開、關(guān)等動(dòng)作。命令處理完畢后，再進(jìn)行恢復(fù)中斷處理。在控制動(dòng)作中，對同一個(gè)對象的相反動(dòng)作(例如天窗的開、關(guān))的控制不能同時(shí)進(jìn)行。如果發(fā)生這種情況必須先停止前一個(gè)動(dòng)作，再對目前命令進(jìn)行處理。
4 可靠性措施
為了提高系統(tǒng)的可靠性，防止外來干擾影響系統(tǒng)的正常工作，在硬件和軟件上都采取了措施。在硬件上，除了采取一般的防止干擾措施外，還在系統(tǒng)的狀態(tài)輸入口和控制端口采用光電隔離器以防止來自繼電器的干擾，在串行端口和RS-485總線的接口上也進(jìn)行了光電隔離。另外，SN75LBC184具有瞬時(shí)過壓保護(hù)的功能，有效地防止了雷電等的瞬時(shí)高電壓損壞接口電路。在軟件上，采用了冗余指令、軟件陷阱等方法。在程序適當(dāng)?shù)奈恢蒙霞尤隢OP指令的冗余指令法使跑飛的程序納入正常的軌道，在無條件跳轉(zhuǎn)指令后和空ROM區(qū)等處加入軟件陷阱的軟件陷阱法可捕捉跑飛的程序。系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果證明，我們所采取的措施不僅是必要的，而且是非常有效的。
上述系統(tǒng)成本低、使用維護(hù)方便，有利于自動(dòng)控制系統(tǒng)在我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣普及。系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，取得了良好的效果，完全能滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的需要。
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參考文獻(xiàn)
1 李萍萍.我國溫室生產(chǎn)的現(xiàn)狀與亟待研究的技術(shù)問題探討.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1996?鴉27(3)
2 王定成，方廷健.HQ-1型智能溫室多路數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng).“計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用之二十一世紀(jì)”國際會(huì)議，2000.10