基于物联网太阳能温室光伏温室棚大设计终期考核总结报告

基于物联网太阳能温室光伏温室棚大设计终期考核总结报告1项目概述与背景针对目前我国大部分温室大棚采用纯人工管理出现的耗时耗力、出错率高等情况，设计了一种基于物联网的太阳能光伏温室大棚控制系统，系统采用Zigbee协议组建了无线传感网络，对温室大棚内农作物生长的环境进行检测及控制，并用来存储采集数据、管理系统设备、实现无线传感网与传统信息网络之间的互联，农户可以使用浏览器和智能手机对温室大棚实时监测和远程管理，系统应用于温室大棚的生产管理过程中，提高了农业生产水平，实现了农作物高效、优质、低耗的工业生产方式。基于物联网的太阳能光伏农业大棚，是集太阳能光伏、风电、地源热泵、WSN等技术为一体的现代化农业。我们根据植物的生长条件并非单独与其放生关系，而是诸因素相互联系，相互影响，其中有任一条件不符合其生长需求，作物不能正常生长，甚至死亡。黑龙江省属于温带季风性气候，黑龙江省冬季蔬菜水果供给多靠从南方各省陆运，造成蔬菜水果物价较高，不但价格高，而且品质差，甚至有些蔬菜还有对人体有害的防腐剂。传统的农业大棚内多还靠烧煤或者电能保温，增加了经济投入成本，同时烧煤燃烧产生大量温室气体和导致环境污染的有害气体给人类的生活带来巨大危害，并且存在着安全隐患。太阳能做为一种新能源，取之不尽用之不完，环保无公害无污染，黑龙江地区太阳辐照最高可达1500Wm-2，年日照为2965.3小时，平均日照率64％，不利于当地发展日光性温室，在齐齐哈尔地区，经实际测试，其光伏发电效率达到全国平均发电能力2倍多，意味着在齐齐哈尔地区大力发展太阳能光伏发电技术具有巨大潜力。我国的温室大棚面积世界第一，除了中小拱棚等简易设施外，日光温室、塑料大棚的建筑面积高达200多万公顷以上。温室就是充分利用太阳能的节能建筑。温室设计时的屋面倾角充分考虑了太阳入射角，可以最大限度的利用太阳光对温室进行加温，而且还要保证室内作物进行正常的光合作用。太阳光的光热资源在温室的合理利用保证了蔬菜等园艺作物的正常生产，也为北方冬季吃到新鲜的蔬菜作出了巨大贡献。对于光伏产业来说，如果能将这些透光屋面充分利用，不仅可以节约大量的土地资源，还可以利用温室本身作为光伏发电建筑基础。产生的电力资源可以直接提供给温室内的照明灯、补光灯、灌溉设备、植保设备等使用。还可以供给周围居民和农户生产和生活使用。光伏农业大棚利用太阳能发的电能转化为植物生长需要的光合有效辐射能，既满足了植物生长的需要，又实现了光电转换，增加了电力。“光伏农业大棚”转变以往大规模太阳能发电的区域概念。由于我国中东部地区是我国的主要粮食和农副产品的供应基地，传统上将大型太阳能发电系统建设的关注点放在我国西部地区。“光伏农业”在不改变农用地性质的同时，使大规模太阳能发电成为可能，这个现实有望改变人们对大规模太阳能发电区域布局的认识。“光伏农业大棚的开发，对于农业结构的调整、升级和“三农”问题的解决也有重要作用。但是，将太阳能光伏发电和设施农业的相结合的商业应用模式在东北地区报导很少。在农业生产过程中投入大量的工业设备，需要大量的能源让设备正常工作，提出结合物联网及太阳能光伏系统新技术，弥补黑龙江地区因季节变化而造成的农业生产周期间断，改变以往靠天吃饭的格局。太阳能光伏系统为设施农业提供了低价的能源，降低了农业生产成本，同时也开拓了太阳能光伏产品的新市场，LED灯可以提供植物光合作用所需要的光线强度，可以使当地大棚种植当地所需要的蔬菜水果，或反季节蔬菜水果，解决蔬菜水果依靠从南方陆运的问题。破解东北地区“菜篮子”难题，增强抵御恶劣天气能力，改变多年来冬季蔬菜水果依靠外进的状况。2系统的总体结构太阳能光伏温室大棚检测控制系统为满足室内环境检测的实时性要求，应采用多级子系统分布式结构。该系统总体结构包括传感器子系统、数据采集子系统、信息处理子系统和伺服子系统4部分。1.传感器子系统传感器子系统是检测控制系统的主要信息来源，它关系到整个系统检测，分析加工和控制的可靠性与准确性。传感器主要包括检测温室大棚内部温度的温度传感器、检测室内空气及土壤水分的湿度传感器、检测室内光照度的光照传感器、检测二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器。由于温室大棚一般构造面积较大，传感器属定点使用的一次性仪表，故各类传感器的使用数量较多。2.数据采集子系统数据采集子系统主要完成对传感器子系统传送来的信号进行A/D转换和采样。在检测控制系统中，为满足实时性要求，一般应选用速度较高，多种采样触发方式，多路采样保持的多通道数据采集卡。为了减轻后级处理工作量，数据采集子系统对采得的原始数据应进行一定程度的预处理。3.信息处理子系统信息处理子系统是整个系统的核心部分，包括环境参数预设置、信号处理和控制3个部分。环境参数预设置一方面可将某一时间范围内，农作物正常生长对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度的要求进行设置。另一方面可将作物不同生长期对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度要求进行设置，进而对其进行数据拟合，以确定其在整个生长过程中对上述因素的要求。信号处理实现测量数据与本阶段环境参数值进行比较分析，为控制提供决策依据，控制部分则由此发出各种相应的控制信号。4.伺服子系统该子系统包括温度调节机构，通过对降温设备（如湿帘风机）、加热设备（如热风机）的工作方式及时间的控制以实现对温度的调节功能。湿度调节机构，通过对温室天窗、侧窗启闭部件以及喷雾器的控制以完成对湿度的调节。照明机构，通过对照明灯的开或关，以实现对温室内光照度的调节。二氧化碳施放机构完成对温室内二氧化碳施放。3系统方案本温室大棚控制系统以CC2530单片机为核心，采用地源热泵和风机、喷灌和渗灌和荧光灯，分别为温室大棚进行加热、增加空气湿度、灌溉、增加二氧化碳浓度、人工补光；采用SHT10数字式温湿度传感器、FDS-100型土壤水分传感器、SH-300-DH二氧化碳传感器和TSL2561光强传感器分别检测温室大棚的空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照度。数据采集部分使用CC2530单片机，将随被测各项数据变化的电压或电流采集过来，进行数据的处理，在显示电路上，将被测各项数据显示出来。整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制通风和喷灌装置，也可以通过键盘强制控制。如图3.1与3.2所示。图3.1总体结构图图3.2系统框图4系统硬件设计温室大棚控制系统硬件部分主要由控制器模块，电源电路模块，空气温湿度从机加热系统通风系统渗灌系统补光系统报警系统空气温湿度传感器信号放大电路土壤水分传感器光强传感器二氧化碳传感器MAX485上位机LCD显示系统主机无线通信模块测量电路模块，土壤湿度测量电路模块，光强测量电路模块、二氧化碳浓度测量电路模块，显示电路模块，报警电路模块、通信电路模块、控制电路模块组成。4.1控制器模块本设计的控制器模块选用CC2530，它是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其他强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。(1)标准功能：适应2.4-GHzIEEE802.15.4的RF收发器，极高的接收灵敏度和抗干扰性能，可编程的输出功率高达4.5dBm，只需极少的外接元件，只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要，6-mm×6-mm的QFN40封装，适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规：ETSIEN300328和EN300440（欧洲），FCCCFR47第15部分(美国)和ARIBSTD-T-66（日本）。(2)在外部结构上，CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技术，可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。设备含有闪存存储器以存储程序代码。闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。闪存控制器允许页面擦除和4字节编程。I/O控制器负责所有通用I/O引脚。CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制，如果是的话，每个引脚配置为一个输入还是输出，是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。CPU中断可以分别在每个引脚上使能。每个连接到I/O引脚的外设可以在两个不同的I/O引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。4.2空气温湿度测量电路模块本设计选择SHT10数字式温湿度传感器来检测温室大棚中空气的温湿度。SHT10数字式温湿度传感器是由Sensirion公司推出的一种可以同时测量湿度、温度的传感器，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度的数字信号，可以有效地解决传统温、湿度传感器的不足。其特点：温湿度传感器、信号放大、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上(CMOSens技术)；全校准相对湿度及温度值输出；具有露点值计算输出功能；免外围元件；卓越的长期稳定性；测量精度高，湿度的精度为±3.5，温度的精度为±0.5℃(在20℃时)；可靠的CRC数据传输校验功能；片内装载的校准系数，保证100%的互换性；电源电压为2.4~5.5V[6]。引脚功能：1（GND）：接地；2（DATA）与3（SCK）：串行数字接口，其中DATA为数据线；4（VDD）：接电源。如图4.1所示，SHT10数字式温湿度传感器来检测温室大棚中空气的温湿度，并将检测到的信号传送给单片机的P0口，让单片机处理。GND1DATA2SCK3VDD4NC5NC6NC7NC8U7SHT10P1.0(T2)1P1.1(T2EX)2P1.23P1.34P1.45P1.5(MOSI)6P1.6(MOSO)7P1.7(SCK)8RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE(PRCG)30EA/VPP31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39VCC40U1AT89S521KR4GNDVCCVCCGNDVCC图4.1SHT10数字式温湿度传感器连接电路图4.3土壤湿度测量电路模块本设计选择FDS-100型土壤水分传感器检测土壤中水分的含量。FDS-100型土壤水分传感器引脚功能[7]如下：红线（VDD）：5-12V电源输入黄线(V-OUT)：电压输出0～1.875VDC黑线(GND)：地线功能及特点：(1)本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。(2)结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。(3)外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。(4)土质影响较小，应用地区广泛。(5)测量精度高，性能可靠，确保正常工作。(6)响应速度快，数据传输效率高。FDS-100型土壤水分传感器经过LM358经信号放大输送至