温室大棚监测系统的设计与实现

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1、第1章绪论1．1选题依据设施农业是世界现代农业发展的主要方向之一。我国农业正处于从传统农业向高产、优质、高效为目的的现代化农业转化的新阶段，因此设施农业是我国今后较长时期内农业发展的一个主要方向【l,21。随着国民经济的迅速增长，农业技术的研究和应用越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。农业环境综合控制作为作物速生、优质、高产的手段，是农业现代化的重要标志，对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制又是现代化农业生产中的重要一环。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳浓度、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境监

2、测是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的采集、处理、分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。在传统的农业生产中，人们主要采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度。但是由于温度计、湿度计精度比较低，以及人工读数的人为因素等原因，温湿度检测结果很不精确，而且该方法不仅速度慢，精度低，实时性差，还给操作人员带来了大量的劳动强度。从国#FOI进的一些先进的温室设备，虽然在监测上有较高的自动化、智能化，但由于其进价昂贵、运行费用高，且不能完全符合我国农业自动化生产的需要，因此难于在我

3、国大规模推广和应用。所以，改变传统的监测方式，建立符合我国农业自动化生产需要的温室自动化监测系统，可为农业设施群的中央监控室提供精确、可靠的数据，使工控机根据数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境参数，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。这对加快我国温室生产的现代化水平及提高温室的经济效益均具有重要意义。近年来，随着单片机功能的日益强大和工控机(IVC)技术的广泛应用，人们北京T业大学工程硕l：学位论文对大棚内参数检测的准确性、稳定性要求也越来越高。本课题的目的就是设计一套相对精度高、性能稳定、运行可靠、性能价格比高的温室大棚监测系统。1．2国内外研究现状西方发达国家在现代温室

4、测控技术上起步比较早。1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展【3'4】。由ATMAL公司生产的51单片机，最早由Intel公司推出的8051／31类单片机

5、也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性(如时序特性)。提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品价格。总体上看，美国著名公司的单片机技术仍处在领先的地位，特别是在高端产品方面，高性能的单片机新产品不断推出。‘特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化15,61。80年代，随着微型计算机

6、日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段‘6～。现代温室中广泛应用的传感器元件，已普及应用于室内生态环境的检测和监控。工业用固定式检测装置有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司(ISC)一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只一2-第1章绪论需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术(IST)公司应用一种“MegaCas”传感器和微程序控制单元，可检测100种以上气体

7、，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定一种气体的含量。目前，国外现代化温室的内部设施已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准【8，9l。温室内的各环境因子大多由工控机(IPC)集中控制，检测传感器也较为齐全【lo】，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，工控机(IPC)对这些系统的控制已经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上