戈壁地區(qū)日光溫室智能防凍控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)_祁正榮.pdf

2 0 2 5年 第8期 中國農(nóng)機裝備 設施農(nóng)業(yè)裝備 戈壁地區(qū)日光溫室智能防凍控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 戈壁地區(qū)日光溫室智能防凍控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 祁正榮 1 2 1 酒泉職業(yè)技術大學 酒泉 735000 2 甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)重點實驗室 酒泉 735000 摘要 為克服戈壁地區(qū)低溫 干旱等自然條件影響 日光溫室逐步成為戈壁地區(qū)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要形式 為提升溫室主動適 應作物生長需求能力 可自主調控溫度的主動式溫室得到了廣泛的應用 在分析戈壁地區(qū)主動式溫室自動控制需求的基礎上 設計了一種溫室智能控制系統(tǒng) 可實現(xiàn)溫室自動加熱 控溫功能 達到智能防凍系統(tǒng)調控溫室溫度的目的 關鍵詞 日光溫室 智能防凍 控制系統(tǒng) 設計 在我國甘肅 寧夏 青海 新疆 內(nèi)蒙古等地區(qū) 有大片戈壁地貌 因其深居內(nèi)陸 大部分位于中高緯 地帶 受地理位置和地形的影響 冬季低溫持續(xù)時間 久 晝夜溫差大 地表干旱少雨等特點 致使在戈壁 地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)存在一定限制 盡管自然條件惡劣 但 西北戈壁地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展已經(jīng)取得了一定的成就 為 了應對干旱和土壤貧瘠的問題 西北戈壁地區(qū)積極引 進和推廣節(jié)水灌溉技術 土壤改良技術和植物培育技 術 其中 日光溫室技術和綠色防控技術的應用有效 提升了土壤保肥保水性能 是戈壁地區(qū)最具代表性的 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式 傳統(tǒng)日光溫室很好地解決了戈壁地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)受 限的問題 但大部分日光溫室結構單一 僅能實現(xiàn)保 溫功能 為適應不同作物的生產(chǎn)需求 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)研 究人員開發(fā)了一種主動蓄熱 增溫 保濕 通風等功 能于一體的智能溫室 能根據(jù)不同作物生產(chǎn)需求 保 持溫室內(nèi)溫度恒定 特別是在冬季 防止因低溫造成 對作物的損害是對智能溫室的基本功能需求 本文對 日光溫室智能防凍系統(tǒng)的需求進行分析 并設計了一 種智能控制系統(tǒng) 1 1 控制系統(tǒng)需求分析 溫室大棚溫度調控是設施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制的核心環(huán) 節(jié) 其調控策略需基于植物生理特性與晝夜溫度變化 規(guī)律進行優(yōu)化設計 根據(jù)植物光合作用與呼吸作用的 熱力學需求 可將 24 小時溫度調控劃分為四個特征 時段 午前時段 高光合效率期 在光照強度達 到峰值 08 00 12 00 期間 為最大化光合作用效率 建議維持 25 30 的最優(yōu)溫度區(qū)間 該溫度范圍 可有效激活 Rubisco 酶活性 促進卡爾文循環(huán)的進行 午后時段 光合衰減期 隨著光照強度減弱 12 00 18 00 植物光合速率呈指數(shù)衰減 此時 應將溫度調控至 20 25 此策略可降低暗呼吸 速率 實現(xiàn)光合同化產(chǎn)物的凈積累最大化 前半夜 時段 呼吸主導期 日落后 18 00 24 00 維持 10 12 的低溫環(huán)境具有雙重效益 抑制線粒體呼 吸作用對同化物的過度消耗 避免低溫脅迫造成的膜 脂相變 需特別注意的是 陰天條件下的晝間溫度應 較晴天基準降低 5 以彌補光照不足帶來的熱力學 失衡 后半夜時段 低溫蓄能期 在午夜至凌晨 00 00 06 00 保持適度低溫 可有效降低植物代 謝消耗 同時為次日光合作用儲備能量 在戈壁荒漠等寒冷地區(qū) 冬季夜間常出現(xiàn)極端低 溫 20 導致傳統(tǒng)溫室的熱慣性不足以維持上 述溫度區(qū)間 特別是當環(huán)境溫度驟降時 溫室熱平衡 方程中的傳導和對流項顯著增大 使得保溫系統(tǒng)面臨 嚴峻挑戰(zhàn) 這種現(xiàn)象會引發(fā)細胞膜流動性降低 酶活 性抑制 光系統(tǒng) II 損傷 滲透調節(jié)失衡等問題 為此 研究提出開發(fā)基于模糊 PID 控制的智能防凍系統(tǒng) 1 1 實現(xiàn)溫室智能防凍 根據(jù)不同作物生長對環(huán)境溫度的需求 在系統(tǒng)中 設定啟動溫度 最低溫度 和待機溫度 最高溫度 后 系統(tǒng)根據(jù)實時測得的環(huán)境溫度數(shù)據(jù) 控制防凍系 統(tǒng)運行和待機 以達到智能防凍的目的 以種植西紅 柿大棚為例 西紅柿屬于喜溫性蔬菜 白天適宜生長 溫度范圍為 20 28 左右 晚上適宜溫度范圍為 作者簡介 祁正榮 1988 01 副教授 碩士研究生 研究方向 電氣工程 自動化控制 新能源應用技術 Email zroong 2 0 2 5年 第8期 15 18 左右 適宜晝夜溫差為 10 15 因此 設定系統(tǒng)白天的啟動溫度為 20 當溫室內(nèi)環(huán)境溫度 隨增溫裝置的加熱逐漸升高達到 28 時 系統(tǒng)停止加 溫保持待機 考慮到燃料燃燒特性和增溫裝置熱慣性 設定系統(tǒng)白天的停機溫度為 26 同理 設定系統(tǒng)夜 間的啟動溫度為 15 停機溫度為 18 1 2 實現(xiàn)遠程自動控制 通過自定義規(guī)則 根據(jù)溫室內(nèi)作物生產(chǎn)需求 設 定系統(tǒng)燃燒爐點火溫度 自動進料時間 單次進料量 鼓風換熱等參數(shù) 讓智能防凍系統(tǒng)隨環(huán)境參數(shù)變化自 動控制 以種植西紅柿大棚為例 根據(jù)溫室空間大小 和室外環(huán)境溫度 當空間較小 且室外溫度較高時 可設定單次進料量在 2 3kg 之間 間隔時間可設定 為 30 40min 如室外環(huán)境溫度較低且溫室空間較大 則可相應提高單次進料量并縮短間隔時間 增大燃燒 爐進氣壓力 2 控制系統(tǒng)總體設計 根據(jù)功能需求 設計的智能防凍系統(tǒng)主要功能是 實時監(jiān)測一天內(nèi)日光溫室環(huán)境溫度變化 以此來調控 智能防凍系統(tǒng) 實現(xiàn)自動燃料供給和自動點火 從而 控制燃爐燃燒來釋放高溫煙氣 并經(jīng)換熱系統(tǒng)與進入 的冷空氣進行換熱后吹到溫室內(nèi)實現(xiàn)溫室內(nèi)增溫 2 如果在規(guī)定的四個時間段內(nèi)溫度低于溫室內(nèi)要求的溫 度 自動點火裝置就會自動點火 點燃生物質顆粒燃 料為溫室供暖 如果溫室內(nèi)的溫度超過需要的溫度 燃爐內(nèi)的燃燒會自動停止 3 核心關鍵研發(fā)技術主要 是控制系統(tǒng)實現(xiàn)對日光溫室內(nèi)溫度實時監(jiān)測 燃燒裝 置自動給料 根據(jù)爐膛溫度控制加熱時間等功能 設 計的智能防凍系統(tǒng)總體功能如圖 1 所示 3 控制系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn) 3 1 控制器選型 控制器是整個智能防凍系統(tǒng)的核心 相當于人類 的大腦 要對溫室內(nèi)溫度和爐膛內(nèi)溫度進行實時檢測 并根據(jù)不同時間段的溫度要求進行決策分析 通過分 析結果來控制點火裝置實現(xiàn)智能防凍系統(tǒng)的自動點 火 系統(tǒng)需求中對參數(shù)檢測較少 需要的內(nèi)存也較少 控制復雜度低 因此在設計中選用簡單 價格便宜且 廣泛應用的 AT89C51 作為控制器 通過構建最小應 用系統(tǒng)即可工作 4 構建的最小應用系統(tǒng)電路如圖 2 所示 3 2 爐膛溫度檢測元件選型與設計 爐膛是智能防凍系統(tǒng)中生物質顆粒燃料燃燒的空 間 其作用是將生物質顆粒進行燃燒 并將所散發(fā)的 熱量傳遞出去 為了很好地控制燒燃時間來控制散熱 溫度 需要對爐膛內(nèi)的溫度進行實時監(jiān)測 系統(tǒng)中選 用 K 型熱電偶作為監(jiān)測元件 K 型熱電偶是一種常用 的工業(yè)溫度傳感器 它可以直接測量各種生產(chǎn)中從 到 1300 范圍的氣液介質或固體表面溫度 5 K 圖 1 智能防凍系統(tǒng)總體功能 中國農(nóng)機裝備 設施農(nóng)業(yè)裝備 戈壁地區(qū)日光溫室智能防凍控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 2 0 2 5年 第8期 型熱電偶通常由感溫元件 安裝固定裝置 和接線盒等主要部件組成 熱電偶絲直徑 一般為 1 2 4 0mm 型熱電偶具有線 性度好 熱電動勢較大 靈敏度高 穩(wěn)定 性和均勻性較好 抗氧化性能強和價格便 宜等優(yōu)點 能用于氧化性惰性氣氛中 由于熱電偶輸出信號為模擬量信號且 信號一般較弱 因此在設計中選擇一款精 密的熱電偶數(shù)字轉換器 MAX6675 與 K 型 熱電偶配合使用 MAX6675 內(nèi)置 12 位模 數(shù)轉換器 ADC 還包括冷端補償檢測 和校正 數(shù)字控制器 SPI 兼容接口以及 相關的控制邏輯 有關 MAX6675DE 詳細 引腳功能和使用說明較為成熟 可以參考 其芯片說明書 在此不再敘述 系統(tǒng)中與 K 型熱電偶的連接電路如圖 3 所示 3 3 溫室溫度檢測元件選型與設計 根據(jù)溫室內(nèi)部的溫度分析 溫度范圍 為0 3 5 因此 系統(tǒng)選擇集成 RS232 串口的智能溫度傳感器實現(xiàn)溫室內(nèi) 溫度的實時監(jiān)測 6 為了將溫度傳感器監(jiān) 測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒纼鱿到y(tǒng) 選擇 AS32 TTL 1W LoRa 無線通信 LoRa 進行數(shù)據(jù)傳 輸和接收 與溫度傳感器進行連接的實際 接口如圖 4 所示 智能防凍系統(tǒng)控制器串 口端添加 LoRa 通信模塊 LoRa 對應傳輸 模式是一種廣播模式 系統(tǒng)中實現(xiàn)與溫度 傳感器端的通信功能 當溫度傳感器完成 溫度采集后將通過 LoRa 串口通信將讀取 圖 2 AT89C51 最小系統(tǒng) 圖 3 K 型熱電偶與 MAX6675 電路連接 圖 4 無線通控制信 LoRa 模塊與傳感器連接電路 中國農(nóng)機裝備 設施農(nóng)業(yè)裝備 戈壁地區(qū)日光溫室智能防凍控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 2 0 2 5年 第8期 的溫度值實時發(fā)送給智能防凍系統(tǒng) 其中 LoRa 通信 模塊的詳細應用資料公開可查 此處不詳細列出 3 4 人機交互電路設計 考慮到操作者能夠方便 簡單地對智能防凍系統(tǒng) 在工作過程中進行操作 在系統(tǒng)設計過程中專門設置 了一套人機交互模式 當智能防凍系統(tǒng)監(jiān)測到溫室內(nèi) 溫度不在合理的范圍之后 可以手動啟動按鈕操作系 統(tǒng)進行點火 同時顯示器會顯示出通過溫度傳感器測 出來的溫室溫度 人機對話部分的設計是為了能夠更 好地對溫室內(nèi)部的溫度進行設置 便于對溫室溫度進 行人工操控 3 4 1 顯示部分設計 系統(tǒng)采用 4 位數(shù)碼管顯示器顯示大棚內(nèi)部的溫 度 當智能防凍系統(tǒng)燃爐燃燒和停止燃燒時 顯示器 顯示溫室內(nèi)和爐膛內(nèi)恒定溫度 可以通過按鍵切換實 現(xiàn)顯示 由于控制器資源有限 系統(tǒng)通過 TM16504 進行擴展 5 位數(shù)碼管顯示的連接方式如圖 5 所示 3 4 2 鍵盤設計 為了針對不同日光溫室內(nèi)溫度范圍的變化 通過 設計按鍵來實現(xiàn)對系統(tǒng)中溫度參數(shù)范圍的修改以及其 余簡單控制功能的調整 設計選取簡單常用的獨立按 鍵 其連接接口如圖 6 所示 矩陣鍵盤按鍵分別是 0 9 鍵和 A B C D E 和 F 鍵 與 AT89C51 中的 P1 口實現(xiàn)連接 通過鍵盤 可以進行室內(nèi)溫度和爐膛溫度切換顯示 系統(tǒng)的啟停 設置 手動 自動模式選擇 風機調速等 3 5 報警電路設計 溫室溫度不在不同階段的范圍內(nèi)時都對溫室內(nèi)農(nóng) 作物的生長產(chǎn)生影響 這就需要設計對應的報警系統(tǒng) 對溫室溫度超出合理區(qū)間后進行相應的報警處理 及 時把信息反饋給溫室看守 人員 讓看守 人員通過人機 交互系統(tǒng)進行重新設置或者找出對應故障 盡快恢復 圖 5 用 TM16504 擴展數(shù)碼管顯示 圖 6 鍵盤接線圖 圖 7 溫室系統(tǒng)報警電路 中國農(nóng)機裝備 設施農(nóng)業(yè)裝備 戈壁地區(qū)日光溫室智能防凍控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 2 0 2 5年 第8期 系統(tǒng)運行 從而降低相應的經(jīng)濟損失 因此 報警系統(tǒng) 設計對于整個系統(tǒng)必不可少 其電路原理如圖 7 所示 當溫室內(nèi)部的溫度超過對應的設置值時 其 P2 3 就會將信號傳遞給蜂鳴器 看守人員通過蜂鳴器就會 及時了解到故障 從而對其進行對應的巡查和解決 3 6 自動點火元件選型和設計 整個控制系統(tǒng)利用點火槍吹出熱風來點燃生物質 顆粒 實現(xiàn)防凍系統(tǒng)的自動點火 該自動點火系統(tǒng)安 裝于燃燒爐爐膛側壁 由電加熱元件 熱送風電機 控制器等組成 當監(jiān)測溫度低于室內(nèi)溫度要求時 通 過控制器控制點火槍接通電源啟動 實現(xiàn)防凍系統(tǒng)中 自動點火功能 解決了傳統(tǒng)操作預估時間點進行手動 點火的問題 提高了點火效率 實現(xiàn)了精準控制 智能防凍系統(tǒng)中的燃燒爐自動點火系統(tǒng)具有安裝 方便 控制簡單 點火速率快 穩(wěn)定性高 使用壽命 長等特點 由竄激電機 高溫點火芯 渦旋風嘴組成 竄激電機功率小風力強 高溫點火芯為進口 2080 電 熱絲和氮化硅點火棒 渦旋風嘴火力集中至 900 點火槍的竄激電機為 220V 10W 點火芯 220V 400W 渦旋風嘴材料為 201 不銹鋼 設計的點火槍驅動控制電路如圖 8 所示 當溫室 內(nèi)溫度低于設定的溫度時 控制器引腳輸出低電平信 號 該信號經(jīng)驅動門 7407 放大后使得 MOC3061 內(nèi)部 的光電耦合器導通 其輸出端 6 腳與 4 腳之間得到輸 出電壓 觸發(fā)雙向可控硅 KS 導通 使電點火槍獲得 220V 工作電壓進行點火 4 控制系統(tǒng)軟件設計 4 1 智能防凍系統(tǒng)主程序設計 基于日光溫室大棚溫度變化控制生物質熱風爐自 動啟停 自動點火 自動給料的單片機控制流程如圖 9 所示 當戈壁溫室內(nèi)溫度低于影響農(nóng)作物生長的臨 界溫度時 熱風爐開啟 自動給料裝置開始工作 燃 料倉內(nèi)的生物質顆粒燃料從進料管進入爐膛 燃料在 爐膛堆積一定量后 自動點火裝置開始工作 吹入爐 膛的高溫空氣將燃料加熱至濃煙冒起時 溫室外排煙 圖 8 自動點火驅動電路 圖 9 系統(tǒng)軟件流程圖 中國農(nóng)機裝備 設施農(nóng)業(yè)裝備 戈壁地區(qū)日光溫室智能防凍控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 2 0 2 5年 第8期 口處引風機開始工作 爐膛內(nèi)形成負壓 助燃空氣從 進氣管進入爐膛 生物質顆粒被點燃 隨后 溫室內(nèi) 熱風出口處引風機開始工作 換熱器內(nèi)形成負壓 室 內(nèi)冷空氣從爐膛操作口側壁進入 通過爐體側壁加熱 后進入換熱箱進一步被加熱 在排風引風機的作用下 經(jīng)過熱風管道排向溫室的另一端 使溫室內(nèi)空氣循環(huán) 加熱 主程序中函數(shù)定義如下 void Init void 初始化函數(shù) u8 ReceData void 接收室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)函數(shù) void diaohuo 點火函數(shù) u8 lutangT u8 str 爐膛溫度讀取 void fanqidong void 散熱風機啟動 4 2 RoLa 通信功能程序設計 R o L a模塊分別與智能防凍系統(tǒng)的控制器 AT89C51 串口連接 同時與基于 RS232 接口的溫度 傳感器連接 溫度傳感器實時采集的數(shù)據(jù)可以通過發(fā) 送端 LoRa 模塊發(fā)送到接收端 其發(fā)射和接收數(shù)據(jù)基 本流程如圖 10 和圖 11 所示 主要函數(shù)定義如下 include 52 h typedef struct 定義設備參數(shù) u8 addr 設備地址 u8 chn 信道 u8 power 發(fā)射功率 u8 wlrate 空中速率 u8 wltime 休眠時間 u8 mode 工作模式 u8 mode sta 發(fā)送狀態(tài) u8 bps 串口波特率 u8 parity 校驗位 LoRa CFG extern LoRa CFG LoRa CFG extern u8 Lora mode 模式設定函數(shù) void Lora at response u8 mode 響應函數(shù) u8 Lora check cmd u8 str 校驗函數(shù) u8 Lora send cmd u8 cmd u8 ack u16 waittime 發(fā)送命令函數(shù) u8 LoRa Configure void 配置函數(shù) void LoRa Init void 初始化函數(shù) void Aux Int u8 mode 工作狀態(tài)設置 void LoRa Set void 設置函數(shù) void LoRa SendData u8 Data 發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù) u8 LoRa ReceData void 接收數(shù)據(jù)函數(shù) 5 總結 基于戈壁地區(qū)溫室內(nèi)作物防凍害的需求 對智能 防凍系統(tǒng)進行了總體設計和分析 對智能防凍系統(tǒng)模 塊組成部分的控制器 溫度檢測電路 人機交互電路 報警電路和點火裝置等硬件進行了選型和設計 并對 系統(tǒng)軟件工作流程進行了分析 設計的戈壁地區(qū)溫室 智能防凍系統(tǒng)對于提高溫室內(nèi)作物的生產(chǎn)能力和生產(chǎn) 質量具有重要作用 圖 10 溫度傳感器端 LoRa 發(fā)送數(shù)據(jù)流程 圖 11 防凍系統(tǒng)端 LoRa 接收數(shù)據(jù)流程 中國農(nóng)機裝備 設施農(nóng)業(yè)裝備 戈壁地區(qū)日光溫室智能防凍控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)