HQ-1型温室智能控制系统

    摘要：针对设施农业全自动控制的需要，研制了HQ-1型温室智能控制系统。该系统以PC机为上位机，单片机系统为下位机，实现了对温度、湿度、光照强度、CO2浓度、pH值、EC值、液位等24路模似量的数据采集，以及天窗、遮阳网、通风机、补光灯等21路状态开关量的检测和自动控制。

    关键词：温室 单片机 数据采集 智能控制

如何发展适合在中国广大农村推广普及的先进的设施农业是提高我国设施农业总体技术水平的一个急待解决的问题。设施农业的全自动控制系统是体现总体技术水平的一个重要标志，降低系统的总体成本、提高系统的可靠性成为发展设施农业的一个关键问题。为提高温室技术水平，自1970年以来，国内一些省市先后从国外引进了一批现代化的温室设备及控制系统。但这些设备和系统价格昂贵，运行成本高，在国内推广普及困难。在中国科学院和安徽省农业厅的大力技术下，在安徽省农业高科技示范园，作者以80C51单片机为信心，独立自主地完成了环境参数的数据采集和智能控制系统的研制。本文对该系统作一介绍。

1 功能简介

HQ-1型温室智能控制系统具有以下功能：

（1）以数据和曲线形式实时显示栅室内外环境参数，并可查询历史记录；

（2）实现对温度、湿度、光照强度、CO2浓度、pH值、EC值、液位等24路模拟量的数据采集，以及天窗、遮阳网、通风机、补光灯等21路状态开关量的检测，并将24小时数据存入数据库；

（3）显示执行机构开、闭情况；

（4）操作员通过设计的“软开关”开闭各执行机构；

（5）具有较完备的大棚作物知识库和专家系统；

（6）具有开放式的设计平台，实时查询、修改、增加和删除大棚作知识库知识；

（7）依据知识库知识实行智能化管理和控制；

（8）通过人机交互设定滴灌开闭时间，对滴灌实施自动控制；

（9）采用多媒体技术，对系统异常或作物要求进行语音提示。

2 硬件构成

系统组成框图如图1所示。

HQ-1型温度智能控制系统的硬件结构如图2所示。下位机以80C51为信心，对其外围存储器进行扩展，通过74LS138译码器将RAM地址空间分为8块，每块占8K地址空间。0000～1FFFFH段的地址空间作为数据存储器空间，用来存放从传感器采集到的数据以及检测到的天窗等状态信息。U6、U8、U9为三片8路A/D转换器ADC0809，分别用Y1、Y2、Y3进行片选，占去2000～7FFFH段地址，作为采集24路温湿度等传感器数据的进出口。80C51的I/O口P10用作控制RS-485半双工串行通讯的收发，U7和U16是扩展的并行I/O口，用Y4、Y5片选，占用8000～BFFFH段地址。从机系统通过P11～P17和U7、U16的PC口来控制继电器的吸合，P1口、PC口与继电器之间用光电耦合器进行隔离，防止设备或继电器的干扰影响系统的正常运行。这种控制方法不需要任何外围附加器件或设备就能直接驱动继电器工作，而且一次只能开启或停止一个继电器的动作，其它继电器不受影响，因此可以很方便地实现任一路继电器的控制。U7的PB0～2用作查询A/D转换结束标志。，U7的PA口用作从站地址的输入口，8位拨动开关按二进制编码，用户可以选用1～254作为从站地址。ON为0，OFF为2。U7的PB3～7和U16的PB口用作天窗等开关状态的输入口。

单片机与主机的通讯采用RS-485串行通讯方式。SN75LBC184将RXD、TXD的TTL电平转换成差分信号，以利于远距离传送。在上位机利用SN75LBC184将差分信号转换成TTL电平，再通过1488和1489将TTL电平转换成RS-232的接口信号。

3 软件构成

软件包括两大部分，即上位机软件和下位机软件。上位机软件采用Visual Basic语言和Access数据库编写，下位机软件采用汇编语言编写，动态链接库用C语言编写。

3.1 上位机软件

上位机软件包括如下模块：专家系统模块、自控系统模块、滴灌系统模块、手工控制模块、查询模块、营养液模块等。

3.2 下位机软件

程序开始时，先关闭中断，对系统进行初始化。这包括单片机的各寄存器、RAM和外部I/O口（包括扩展I/O口）的初始化、串行口的工作方式和波特率的设置等，同时还包括设置各种设备的起始状态。完成初始化后，对24路传感器中的数据进行采集。将每一路传感器中的数据连续采集三遍，取中间的值作为该传感器的数据（中值滤波）。24路全部处理完后，检测开窗、遮阳网等的开关状态，并将各传感器数据和开关状态信息存入相应的RAM，再开中断。之后，程序进入数据采集、滤波、读状态信息的循环等待呼叫状态。接到呼叫后，系统转入中断处理，接受命令，转入命令处理。命令处理包括传送数据及报告故障信息、控制各电机的启动与停止，以及各补光灯、CO2发生器等开、关等动作。命令处理完毕后，再进行恢复中断处理。在控制动作中，对同一个对象的相反动作（例如天窗的开、关）的控制不能同时进行。如果发生这种情况必须先停止前一个动作，再对目前命令进行处理。

4 可靠性措施

为了提高系统的可行性，防止外来干扰影响系统的正常工作，在硬件和软件上都采取了措施。在硬件上，除了采取一般的防止干扰措施外，还在系统的状态输入口和控制端口采用光电隔离器以防止来自继电器的干扰，在串行端口和RS-485总线的接口小也进行了光电隔离。另外，SN75LBC184具有瞬时过压保护的功能，有效地防止了雷电等的瞬间高电压损坏接口电路。在软件上，采用了冗余指令、软件陷阱等方法。在程序适当的位置上加入NOP指令的冗余指令法使跑飞的程序纳入正常的轨道，在无条件跳转指令后和空ROM区等处加入软件陷阱的软件陷阱法可捕捉跑飞的程序。系统运行的结果证明，我们所采取的措施不仅是必要的。而且是非常有效的。

上述系统成本低、使用维护方便，有利于自动控制系统在我国设施农业推广普及。系统自投入运行以来，取得了良好的效果，完全能满足设施农业控制系统的需要。