基于ARM的温室温湿度智能控制系统设计

宁夏大学硕士学位论文基于ARM的温室温湿度智能控制系统设计姓名：高保泰申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：刘大铭2011-03I摘要本课题针对目前国内一些温室控制系统自动化程度不高的现状，具体分析了不同环境因子对温室控制系统的影响，以及环境因子受执行机构动作的影响。在该温室自动控制系统的设计与研制中，我们应用现代通信技术、传感器技术、单片机控制技术和模糊控制技术，提出了一种对温室控制系统行之有效的模糊控制方案，设计出一种温室智能控制系统，实现对温室内的湿度和温度的检测与控制。本设计测控系统的硬件部分由上位机和下位机及其外围电路组成。上位机采用工业控制计算机（IPC），实现对温室环境的远程实时监控。下位机采用嵌入式ARM微控制器LPC2478作为主控制器，实现控制指令的接受与传送，以及过程参数的接受与传送。另外，主控制器按照模糊控制算法实现对温室环境的现场控制。数据采集器和执行器实现对温室环境被控因子的检测并实现对执行机构的控制。温室中温、湿度传感器分别采用单总线的DS18B20和IH3605。软件部分包括数据采集模块软件的设计、远程通信软件的设计以及主控制器软件的设计。由于温室控制系统是一个非线性、时变、带纯滞后的复杂系统，人们很难建立其精确的数学模型，而采用常规的控制方法很难得到满意的动、静态性能。本课题应用模糊控制的理论，进行模糊控制算法的研究，结合人们实践中的经验设计一种温室智能控制系统并通过MATLAB仿真。关键词：温室，环境因子，模糊控制技术，数学模型IIAbstractAccordingtothecurrentcircumstancethatless-automaticgreenhousecontrolsystem,inthispaper,theauthoranalyzestheimpactthatdifferentenvironmentalfactorsimposedonthehousecontrolsystem,aswellastheenvironmentalfactorseffectbytheactionsofexecutivedevices.Intheprocessofdesignanddevelopthissystem,takingadvantageofmoderncommunication,sensor,single-chipmachine,andthefuzzycontroltechnologytogether,proposesafuzzycontrolapproachwhichiseffectivetothesystem,anddesignsaintelligentcontrolsystem.Thiscontrolsystemcanbedetectandcontrolthehumidityandtemperatureinthegreenhouse.Inthiscontrolsystem,thehostcomputer,lowercomputerandtheexternalcircuitconsistofthehardware.Thehostcomputeradoptsaindustrialcontrolcomputertorealizealong-distancereal-timecontrolforthegreenhouse’environment,whilethelowercomputerusesainsertARMmicrocontrollerLPC2478asamastercontrollertoreceivingandsendingthecommandandprocessparameters.What’smore,itcanaccomplishafield-controltothegreenhouse’senvironmentalongwiththefuzzycontrolalgorithm.Datacollectorandactuatormanagestodetectthecontrolledfactorsofthegreenhouse’environmentandalsocontroltheexecutivedevices.Additional，usessingle-busDS18B20andIH3605asthetemperatureandhumiditysensors.Thesoftwaremainlycontainsthedesignofdata-acquisitionmodular,long-distancecommunication,andthemaincontroller.Becauseofthecharacteristicsofnon-linear,time-variable,anddelaycontrolsystem,it’sdifficulttobuildaaccuratemathematicmodel,evenitcan’tmeetthesatisfactionofacomfortabledynamic,staticperformanceifadoptatraditionalmethod.Inthispaper,withthefuzzycontroltheory,hasastudyonthefuzzycontrolalgorithm,accordingtotheexperience,designsaintelligentcontrolsystem,andsimulatesitbytheMATLAB.KeyWords:greenhouse,environmentalfactor,fuzzycontroltechnology,mathematicmodel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及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏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谢意。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宁夏大学有关保留、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。同意宁夏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内容。研究生签名：时间：年月日导师签名：时间：年月日宁夏大学硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1本课题的研究背景及意义众所周知，我国人口占世界总人口的20﹪，国土面积位居世界第四。然而可用耕地面积却很少，而且人均占有耕地面积还达不到世界平均水平的33﹪。在未来很长一段时期内，我国人口还将继续增长，但耕地面积却在不断减少。因此，如何有效利用有限的土地资源来解决这一矛盾具有重大的现实意义。另外，我国处于北半球，大多数区域属大陆性季风气候区，而且夏、冬季常吹相反方向的季风，使得冬季干旱、寒冷，夏季又炎热、潮湿，一年中气候差异比较大。通常，自然环境气候条件很难满足农作物生长发育的要求。而且我国南北方的气候差异较大，北方冬季较低的气温使得农业生产、生活劳动不能正常进行，造成了人力、物力的极大浪费[1]。为了创造适于生物生长的气候条件，人们经过多年的摸索与研究，建造各种各样的温室来获得人工气象环境，以满足作物生长对环境因子的要求[2]。温室环境能够部分或全部克服外界气候状况的制约，从而可以缩短农作物的生长周期，将农作物的产量提高，获得巨大的经济效益[3]。为了使温室内的温度、湿度、光照、C02浓度等环境因子满足农作物的生长发育要求，必须对温室内的各种环境因子进行有效的控制[4]。由于普通温室环境设施比较简陋、自动化程度较低、环境调控能力不够高，难以满足对控制精度的要求。因此，为了实现农作物的优质、高效和高产，开发和研制温室环境智能监控系统是十分必要的[5]。1.2我国温室控制系统的发展现状我国对于温室控制系统的研究比较晚，到了80年代，才有对人工气候温室进行的微机控制。例如上海植生所的人工气候室，还有重庆柑橘所人工气候室的单片机控制系统。北京农业大学在1995年研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，该系统是一种小型分布式数据采集控制系统[6]。1996年，江苏理工大学毛罕平等人研制成功的，用于工控机进行管理的植物工厂系统，该系统能对温度，湿度，CO2浓度，光照，施肥和营养液等进行综合控制，这是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果。之后，吉林工业大学成功研制了温室智能喷水控制器，该控制器能够根据温室内的湿度、温度以及光照度来自动调节喷水量。1998年，中国农业机械化科学研究院成功研制出新型智能温室，该温室系统由大棚本体、计算机环境参数测控系统、太阳能贮存系统、通风降温系统、灌溉系统、燃油热风加热系统等组成。此外，还有许多科研院所和高等院校都致力于温室控制系统的相关研究工作，已经有许多单位已构建或将要构建自己的温室控制系统的总体构架[7]。1.3国外温室环境控制技术研究现状国外对于温室控制技术的研究，不仅在时间上早于中国，而且技术上也优于中国。早在上世纪40年代，美国加利福尼亚州的Farhort植物实验室就建造了第一个完全由人工控制的人工气候宁夏大学硕士学位论文第一章绪论2室。1953年，日本也建造了用于科研的大型模拟温室。荷兰也相继建造了当时世界上规模昀大的日光温室。自八十年代以来，在控制方法和温室环境控制器的研究方面，人们也做了大量的工作。1989年，Tantau在温室小气候的控制中以前馈控制来增强反馈控制，即前馈—反馈控制。1996年，Chalabi.Z.S等人为了减少温室能量消耗，采用一个实时加热控制算法。试验证明该算法具有可行性，并在实际的环境控制中得到广泛的应用[8]。1998年，Hans-juergenTantau提出一种以改进温室内部温度的设定点来降低温室能量消耗的思想。2000年，Tetsuomorimoto等学者综合了现代先进控制算法(人工神经网络、遗传算法、模糊算法)实现对温室环境因子的控制。该控制系统中，用人工神经网络和遗传算法来确定温室环境参数—相对湿度—的昀佳设定点，将模糊算法应用到温室控制器的设计中以控制环境参数。该综合控制算法比较先进，而且对温室控制效果较好。2002年，FerreiraP.M等学者提出了应用人工神经网络来研究温室的温度控制。并且研究了通风系统、喷雾系统和加热系统对温室内部空气温度、湿度和C02浓度等环境参数的影响[9]。2004年，Meirteitel等学者比较两种目前温室中常用的通风风扇的控制系统（一种是可变频触发驱动系统，另一种是开关控制系统)，通过研究不同控制系统对温室内能量的消耗来比较各自的优越性。研究表明，VFD（variablefrequencydrive）控制系统比开关控制系统节省能量，控制效果更好。以上这些控制理论的出现，使得温室环境控制技术逐渐向智能化控制方向迈进。一些国家在实现温室自动化控制的基础上，又向着完全自动化，甚至无人化管理的方向发展[10]。1.4基于ARM嵌入式系统介绍1.4.1ARM系列微处理器的产品介绍ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，它具有体积小、功耗低、成本低、性能好等优点，并且具有16位和32位双指令集。它被广泛应用在16位和32位嵌入式RISC解决方案中，嵌入式RISC微处理器市场份额的75%被它占有[11]。ARM公司是业内公认的领先的半导体知识产权提供商，该公司本身并不生产芯片，主要靠转让其技术通过许可的合作伙伴来生产不同的芯片，从而引领全球嵌入式电子技术研究的潮流。ARM的片上系统解决方案也推动了当今嵌入式市场中一系列终端产品的技术发展。ARM所提供的16位和32位嵌入式RISC内核主要有以下几个系列：ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10，SecurCore，Stron