智能温室自动监控系统的研究110212

1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RESERCCHONTHESUPERVISORYANDCONTROLSYSTEMFORINTELLIGENTGREENHOUSE研究生：杨学坤指导教师：张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2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内容。(保密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3摘要针对我国关键词：3~5个，中间用“，”号分开4ABSTRACTContentKeywords:5目录第一章绪论……………………………………………………11.1研究的目的和意义……………………………………………11.2国内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研究的主要内容与技术路线…………………………………4第二章系统总体设计及主要元器件选取………………………………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致谢………………………………………………………………32参考文献……………………………………………………………33附录………………………………………………………………356个人简介…………………………………………………………………38中国农业大学硕士学位论文第一章绪论1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、湿度等因子亦不相同，大多数植物的生长适宜温度在12℃～33℃之间，以北京地区为例，2009年，平均气温在12℃以下的天数为152天，占到全年的41.6%（北京统计年鉴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。在未来几十年内，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内大气温湿度、土壤温湿度、光照强度、溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速以及作物生长状况等参数,将室内温、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及趋势，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。中国农业大学硕士学位论文第一章绪论21.2国内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。罗马哲学家塞内卡(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15～16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、农产品深加工技术及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及时的调节。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。系统对温室内环境状况（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内的数据查询，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内环境因子的控制和管理。以色列的温室设备材料、滴灌技术、种植技术及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内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。中国农业大学硕士学位论文第一章绪论31.2.2国内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，早在秦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”（后被命名为鞍山式温室），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777000hm2，其中日光温室和连栋温室面积81000hm2，大棚面积465000hm2，中小棚面积231000hm2。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，江苏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，河北职业技术师范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内的温湿度进行实时检测与控制；中科院合肥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，在国内处于领先水平；河南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