CN104793670A - 温室大棚中温湿度控制系统 - Google Patents

Abstract

一种温室大棚中温湿度控制系统，属于农业技术领域。本发明的目的是针对我国东北冬天寒冷天气中温室大棚室内温湿度难以良好地采集与控制，同时为了减轻农民朋友的经济负担和劳动量，克服使用传统供热方式对环境产生污染等的不足，高效、智能地调控温室大棚内部的温湿度的温室大棚中温湿度控制系统。本发明的系统分为保温部分、加热部分和室内温湿度控制部分；室内温湿度控制部分：是由xs128最小系统、键盘模块、12864屏幕显示模块、zigbee模块、温度传感器模块、温湿度传感器模块、pwm输出模块构成。本发明整个系统装置稳定可靠，并且原理简单，应用领域可以拓展到其他相关的生产设备上。

Description

温室大棚中温湿度控制系统

技术领域

本发明属于农业技术领域。

背景技术

随着改革开放的的发展，我国的现代化程度不断提高。作为世界上的人口大国，关系农业生产的各种资源相对偏少，截至2009年，我国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。所以我国对于农业研究和应用越来越受到重视，农业的发展也必然会走上现代化农业这条道路。近几年来，随着种植业结构调整与优化，蔬菜产业发展迅猛，温室大棚的出现也让越来越多的反季节蔬菜和水果出现在人们生活中，已然成为高效农业的一个重要组成部分。目前，我国蔬菜大棚的数量极多，并且还在迅速增长。利用温室大棚种植，也成为广大农民致富的主导产业之一。

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。我国的温室技术起步较晚，20世纪70年代以前我国基本还停留的农业完全人工作业，70年代以后，国家开始大力发展以温室大棚为主的设施农业，以缓解蔬菜季节性短缺矛盾、提高农作物产量，促进农村经济发展。经过20多年的发展，我国的温室大棚已经具有规模化、管理水平高的特点，但是专业化明显不够，受农民经济状况的影响，大部分温室大棚与现代工程技术手段结合有限，自动化、智能化程度不高，很多时候需要人工参与，尤其是在温室大棚内部环境监测、处理方面明显落后于国外。如何提高温室大棚的智能化，使其可以准确地采集温室大棚内大气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、风向、风速等环境因素,并将其室内环境自动协调处理至对于作物生长有利的最佳状态是未来温室大棚研究的一个重要方向。

我国幅员辽阔，各地气候差异很大，对于不同的地区温室大棚的环境监测、处理方案也不相同。我国东北地区，受纬度、海陆位置、地势等因素的影响，属大陆性季风型气候，夏季温热多雨，冬季寒冷漫长。调研显示，在东北的温室大棚，保温性能是重中之重。随着冬天温度的降低，农民除了在大棚内部设立防风障、增加大棚的保温被、在门口加挡风膜、设置缓冲室之外，还需要单独安装采暖设备，这无疑增加了农民的经济负担，并且大多数采暖设备采用燃烧产生热能的方式，既耗费精力，又会对环境造成一定污染；同时，农民对于温室大棚内部的温度、湿度的控制大部分是人工查看置于大棚内部的温湿度表，然后人工手动调节温湿度，效率低，反应慢，延迟性高，对于农作物其实没有达到最佳的环境生长状态，所以一定程度上也会影响到作物的产量。目前，国内发明中，对于温室大棚内部的环境监测处理系统已有很多，如专利“智能大棚控制系统”专利号201210594439.2、专利“一种智能大棚环境监测系统”专利号201410324310.9等等，对于温室大棚内部的环境监测确实很好，但是局限性还是有的。对于东北冬天的寒冷天气来说，温度如何提升上去就是问题，不用再谈如何调节了；如果采用采暖方式保持温度的话势必对环境产生一定的污染；同时东北的温室大棚普遍都比较长，如何均衡、迅速地采集到整个温室大棚内部的环境参数也是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对我国东北冬天寒冷天气中温室大棚室内温湿度难以良好地采集与控制，同时为了减轻农民朋友的经济负担和劳动量，克服使用传统供热方式对环境产生污染等的不足，高效、智能地调控温室大棚内部的温湿度的温室大棚中温湿度控制系统。

本发明的系统分为保温部分、加热部分和室内温湿度控制部分；

（1）保温部分：采用两层支撑保温薄膜的支架，匹配两套卷帘机系统；

（2）加热部分：由风力发电机和贮水池组成；

a、风力发电机：使用高效率的三相交流永磁同步风力发电机系统，按照专业步骤安装风力发电机；

b、贮水池：贮水池采用混凝土浇筑而成；

（3）室内温湿度控制部分：是由xs128最小系统、键盘模块、12864屏幕显示模块、zigbee模块、温度传感器模块、温湿度传感器模块、pwm输出模块构成；

a、xs128最小系统：标号31的 VDDR引脚作为外部供电电源输入端，标号77的VDDX1引脚作为外部供电电源输入端，VDDA引脚标号59为外部电源输入端，标号60的VRH引脚作为A/D变换参考电压，晶振电路连接到芯片上的EXTAL、XTAL引脚上，按钮加阻容电路设计的复位电路接入芯片中的RESET引脚，P4——BDM接口中3引脚接到芯片BKGD引脚，4引脚接到芯片RESET引脚，其他所有的IO口单独引出，供外部模块连接使用；

b、键盘模块：1-8端口分别连接xs128最小系统中PB0-PB7口；

c、12864屏幕显示模块：DB0~DB7接口对应xs128最小系统中PA0~PA7接口，RS、R/W、E、PSB接口分别对应xs128最小系统中 PE3~PE0接口；

d、zigbee模块：采用CC2530芯片，分为模块的供电部分                                                ，信号的收发部分②，时钟部分③，I/O接口部分④；

模块的供电部分为整个模块供电；

信号的收发部分通过SMA接口的射频天线，芯片上RF_P、RF_N两个引脚相连；

时钟部分为工作芯片及射频信号提供实时时钟；

I/O接口部分，作信号的输入与输出；

其主节点模块中P0-2、P0-3口分别与xs128最小系统上PS0、PS1口相连，分节点中P1和P2插针分别对应温度传感器模块、温湿度传感器模块中JP8、JP9插排接口；

e、温度传感器模块：温度传感器模块DHT11的2引脚接到JP9插排的5引脚，与zigbee模块的P0-0口相连；

f、温湿度传感器模块：温湿度传感器模块DS18b20的2引脚与JP9插排的6引脚，与zigbee模块的P0-1口相连；

g、pwm模块：是将xs128最小系统中的PP0-PP7接口外引出来，用作单独的PWM接口。

本发明温室大棚中温湿度控制系统的工艺流程为：

a、外部风力发电机为提供源源不断的电力能源，电热丝将其转换热能给贮水池中的水加热；

b、贮水池内温度传感器和大棚内温湿度传感器采集当前环境参数，并将数据送入到各个zigbee分节点中；

c、在建立的Zigbee网络中，zigbee主节点将接收到的各个节点的环境参数通过串行通信协议，使用uart0串口传送到控制系统中，这样控制系统便得到了贮水池温度和各个分节点的大棚温湿度的数值；通过PA0~PA7数据输出接口输入到12864液晶显示屏幕上；

d、显示屏幕和输入键盘是设备与用户的交互界面，在这一界面上，用户可以完成包括数据输入、调节开始、调节终止、更改数值等一系列命令；

e、控制器根据温湿度值和各个节点温湿度情况，开始处理数据，首先，综合各个温湿度节点的当前值求得一个当前室内温湿度的平均值：

 n为温湿度节点数；

 n为温湿度节点数；

f、然后该平均值与理想温湿度值做偏差计算，得到偏差值、偏差值的积分以及偏差值的微分等，公式如下。

其中：

位置型PID算法公式：

g、采用位置型数字PID算法，通过调节出P、I、D参数，计算出相应的PWM值，最后，控制器内部的PWM模块输出PWM值来控制相应继电器工作，而继电器控制水泵、风扇开始工作，来调节温湿度；在调节过程中，zigbee网络将温湿度节点数值实时传送到控制器，参与偏差运算，同时显示屏幕上。

本发明的优点在于：

温室大棚建设时建造两层保温薄膜结构，匹配两套卷帘机，这样温室大棚可以覆盖两层保温被等，冬季保温性能好，同时保温被收放自如，不影响白天温室大棚的采光性。

系统采用可再生的、无污染的自然能源——风能作为能量来源，避免了常规矿物能源对环境带来的污染，同时自然能源不需要花钱就可以使用，减轻了农民朋友的经济负担。

系统使用高效率的三相交流永磁同步风力发电机系统，可满足全天候工作的要求。具体特点如下：

1、发电机采用专利技术的永磁转子交流发电机，配以特殊的定子设计，有效地降低发电机的阻转矩，同时使风轮与发电机具有更为良好的匹配特性，保证机组运行的可靠性。

2、风轮叶片采用采用增强玻璃钢材质，结实耐用，配以优化的气动外形设计和结构设计，可以自动调整迎风角度，风能利用系数高，增加了年发电量。

3、风机整体重量轻，体积小，外型美观且运行振动低；同时起动风速低，风能利用率高，可在-40℃-80℃之间工作，使用寿命长达20年。

4、安装采用人性化设计，方便设备安装、维护和检修。

5、发电机的转子电压直接加在贮水池中的加热系统中，不需要控制器、逆变器等设备转换和控制，电能利用率最大化。

系统中的贮水池采用混凝土浇筑而成，简单实用，同时为克服东北冬天天气寒冷水结冰的情况，把它建在底下2-3米处，既防止贮水池内水结冰，又有保温性能，一举两得。

系统的散热系统采用的是钢管+散热片的方式，散热响应迅速。调研发现，大部分用户使用的常规散热系统也是采用散热片方式，这样设计方便用户改装，减轻成本。

系统的核心控制部分采用xs128控制芯片，成本低、性能可靠。芯片自带高精度AD模块与高稳定性的PWM模块，对于系统中的温湿度采集、电泵风扇的控制都有一个很好的效果。

系统界面人性化设计， 屏幕可实时显示贮水池内部水温和当前温室大棚内各个节点的温湿度状况，键盘可以随时输入待设定的温湿度值。各个参数一目了然，用户直接远程操作。

检测贮水池内部水温和温室大棚内部温湿度的传感器节点通过zigbee模块将测得的值实时地传送到控制部分，通信速度快，稳定性高，效果好，不需要冗长的电线，对于长度较长的温室大棚有很好的效果。

整个系统装置稳定可靠，并且原理简单，应用领域可以拓展到其他相关的生产设备上。

附图说明

图1是本发明xs128最小系统原理图；

图2 是本发明键盘模块原理图；

图3 是本发明12864屏幕显示模块原理图；

图4 是本发明zigbee模块的电路原理图；

图5 是本发明温度传感器模块；

图6 是本发明温湿度传感器模块；

图7 是本发明pwm输出模块；、

图8是本发明工艺流程图；

图9是本发明验证温度曲线图；

图10是本发明验证湿度曲线图；

图11是本发明本发明的整体示意图。

具体实施方式

本发明的系统分为保温部分、加热部分和室内温湿度控制部分；

（1）保温部分：采用两层支撑保温薄膜的支架，匹配两套卷帘机系统；

（2）加热部分：由风力发电机和贮水池组成；

a、风力发电机：使用高效率的三相交流永磁同步风力发电机系统，按照专业步骤安装风力发电机；

b、贮水池：贮水池采用混凝土浇筑而成；

（3）室内温湿度控制部分：是由xs128最小系统、键盘模块、12864屏幕显示模块、zigbee模块、温度传感器模块、温湿度传感器模块、pwm输出模块构成；

a、xs128最小系统：标号31的 VDDR引脚作为外部供电电源输入端，标号77的VDDX1引脚作为外部供电电源输入端，VDDA引脚标号59为外部电源输入端，标号60的VRH引脚作为A/D变换参考电压，晶振电路连接到芯片上的EXTAL、XTAL引脚上，按钮加阻容电路设计的复位电路接入芯片中的RESET引脚，P4——BDM接口中3引脚接到芯片BKGD引脚，4引脚接到芯片RESET引脚，其他所有的IO口单独引出，供外部模块连接使用；

b、键盘模块：1-8端口分别连接xs128最小系统中PB0-PB7口；

c、12864屏幕显示模块：DB0~DB7接口对应xs128最小系统中PA0~PA7接口，RS、R/W、E、PSB接口分别对应xs128最小系统中 PE3~PE0接口；

d、zigbee模块：采用CC2530芯片，分为模块的供电部分 ，信号的收发部分②，时钟部分③，I/O接口部分④；

模块的供电部分为整个模块供电；

信号的收发部分通过SMA接口的射频天线，芯片上RF_P、RF_N两个引脚相连；

时钟部分为工作芯片及射频信号提供实时时钟；

I/O接口部分，作信号的输入与输出；

其主节点模块中P0-2、P0-3口分别与xs128最小系统上PS0、PS1口相连，分节点中P1和P2插针分别对应温度传感器模块、温湿度传感器模块中JP8、JP9插排接口；

e、温度传感器模块：温度传感器模块DHT11的2引脚接到JP9插排的5引脚，与zigbee模块的P0-0口相连；

f、温湿度传感器模块：温湿度传感器模块DS18b20的2引脚与JP9插排的6引脚，与zigbee模块的P0-1口相连；

g、pwm模块：是将xs128最小系统中的PP0-PP7接口外引出来，用作单独的PWM接口。

本发明温室大棚中温湿度控制系统的工艺流程为：

a、外部风力发电机为提供源源不断的电力能源，电热丝将其转换热能给贮水池中的水加热；

b、贮水池内温度传感器和大棚内温湿度传感器采集当前环境参数，并将数据送入到各个zigbee分节点中；

c、在建立的Zigbee网络中，zigbee主节点将接收到的各个节点的环境参数通过串行通信协议，使用uart0串口传送到控制系统中，这样控制系统便得到了贮水池温度和各个分节点的大棚温湿度的数值；通过PA0~PA7数据输出接口输入到12864液晶显示屏幕上；

d、显示屏幕和输入键盘是设备与用户的交互界面，在这一界面上，用户可以完成包括数据输入、调节开始、调节终止、更改数值等一系列命令；

e、控制器根据温湿度值和各个节点温湿度情况，开始处理数据，首先，综合各个温湿度节点的当前值求得一个当前室内温湿度的平均值：

 n为温湿度节点数；

 n为温湿度节点数；

f、然后该平均值与理想温湿度值做偏差计算，得到偏差值、偏差值的积分以及偏差值的微分等，公式如下。

其中：

位置型PID算法公式：

g、采用位置型数字PID算法，通过调节出P、I、D参数，计算出相应的PWM值，最后，控制器内部的PWM模块输出PWM值来控制相应继电器工作，而继电器控制水泵、风扇开始工作，来调节温湿度；在调节过程中，zigbee网络将温湿度节点数值实时传送到控制器，参与偏差运算，同时显示屏幕上。

下面对本发明做进一步详细的描述：

本发明电路连接关系：

图1是xs128最小系统的原理图，作为整套系统的核心部分，一定要保证其供电的稳定性，所以图中31标号VDDR引脚作为外部供电电源输入端，给内部电压调节器供电；标号77的VDDX1引脚作为外部供电电源输入端，给芯片中I/O模块供电，为保证稳定性，将其通过电感、电容滤波后供给芯片，同时连接到发光二极管上，用来显示供电情况；VDDA引脚标号59，外部电源输入端，同样经过电感、电容滤波后为芯片内部A/D模块供电；标号60的VRH引脚，供给电源电压，作为A/D变换参考电压。时钟电路是必不可少的，图中的晶振电路连接到芯片上的EXTAL、XTAL引脚上。按钮加阻容电路设计的复位电路接入芯片中的RESET引脚。同时为方便接入BDM调试工具，将P4——BDM接口中3引脚接到芯片BKGD引脚，4引脚接到芯片RESET引脚。其他所有的IO口单独引出，供外部模块连接使用。

图2的键盘模块中1-8端口分别连接图1中PB0-PB7口，作为键盘输入。

图3显示模块12864中的DB0~DB7接口对应图1中PA0~PA7接口，用作数据传送，RS、R/W、E、PSB接口分别对应图1中 PE3~PE0接口，用作功能选择。

图4 zigbee模块采用CC2530芯片，运用其领先的RF收发器的性能，来建立强大的网络节点，图中部分是模块的供电部分，为整个模块供电；部分是信号的收发部分，通过SMA接口的射频天线，芯片上RF_P、RF_N两个引脚相连，对信号进行收发；部分是模块的时钟部分，为工作芯片及射频信号提供实时时钟；部分是I/O接口部分，作信号的输入与输出；这里把模块的接口封装为插针形式，方便使用时的插拔更换。在实际使用中该模块分为主节点和分节点，相应的电路连接也不同，主节点模块中P0-2、P0-3口分别与图1最小系统上PS0、PS1口相连，分节点中P1和P2插针分别对应图5、图6中JP8、JP9插排接口，使用时直接将模块插上去即可。

图5中温度传感器模块DHT11的2引脚接到JP9插排的5引脚，与zigbee模块的P0-0口相连。

图6中温湿度传感器模块的DS18b20的2引脚与JP9插排的6引脚，与zigbee模块的P0-1口相连。

图7中pwm模块是将图1中的PP0-PP7接口外引出来，用作单独的PWM接口，方便连接控制电泵和电风扇的继电器。

本发明电路工作原理：

整套电路采用了XS128单片机作为控制系统，片内的时钟产生模块可将外部稳定的振动器频率，锁定内部频率个高的压控振荡器VCO频率作为系统时钟，使得内部时钟可达80Mhz，处理速度更快，同时内部集成A/D模块、PWM模块等，处理方便，稳定可靠。

采用Zigbee模块构建无线网络，模块采用了CC2530芯片，它是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，结合了领先的RF 收发器的优良性能，使用业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8-KB RAM 和许多其他强大的功能，以非常低的材料成本建立起强大的网络节点。

采用高精度的数字温度传感器DS18b20，内部包含高速暂存器RAM和可电擦除RAM，采用单线接口方式，连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向数字通讯，不需专门的A/D转换处理，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，测量精度高的特点。

采用数字温湿度传感器DHT11，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，同样采用单线接口方式，一条连接线实现双向数字通讯，数据可直接使用，无需处理。

整套系统启动时，首先需要得到水池内的温度以及大棚内部温湿度情况，所以水池内温度传感器和大棚内温湿度传感器采集当前环境参数，并将数据送入到各个zigbee分节点中，等待发送数据。在实际传送数据时，需要明确两个概念就是源节点和目标节点。整个zigbee网络的的最终目的就是把各个分节点的数据传送到主节点上，但是有些大棚比较长，分节点与主节点的距离很远，信号衰减比较大，所以该分节点发送的数据不能直接传送到主节点上，需要其他分节点做一个中转。其中发送数据的节点为源节点，接受数据的节点是目标节点。主节点是最终的目标节点。源节点在发送数据时会先向目标节点发送一个响应信号，待目标节点回应后，双方建立一个通道来传送数据。

Zigbee主节点首先与温度传感器节点建立通道，将温度值传送到控制系统中，然后再与各个温湿度节点建立通道，传送温湿度数据，主节点与控制系统的联系通过uart0串口根据串行通信协议来实现，可以读取各个分节点传送至主节点上的大棚温湿度、贮水池温度的数值。控制系统将其归档处理，然后通过PA0~PA7数据输出接口输入到12864液晶显示屏幕上，供用户查看。

这时，用户如果想要设置理想的温湿度值，那么通过外置键盘手动输入，控制系统对与键盘相连的PB0-PB7端口做相应的输入输出设置，来读取键盘输入的值，赋给相应参数。

在得到理想温湿度值和各个节点温湿度情况后，控制器开始处理数据。首先，综合各个温湿度节点的当前值求得一个当前室内温湿度的平均值，然后该平均值与理想温湿度值做偏差计算，得到偏差值、偏差值的积分以及偏差值的微分等，之后通过PID算法，采用合适的P、I、D参数，计算出合适的PWM值。PWM又称脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。最后，控制器内部的PWM模块输出特定的PWM值来控制相应继电器工作，而继电器控制水泵、风扇开始工作，来调节温湿度。

在调节过程中，zigbee网络将温湿度节点数值实时传送到控制器，参与偏差运算，同时显示屏幕上。

本发明整套系统工艺流程：

外部风力发电机为提供源源不断的电力能源，电热丝将其转换热能给水池中的水加热。整套控制系统启动时，首先需要得到水池中水的温度，让用户对水池内部情况有所了解，其次还要掌握大棚内部温湿度情况，所以水池内温度传感器和大棚内温湿度传感器采集当前环境参数，并将数据送入到各个zigbee分节点中，等待向主节点发送数据。

在建立的Zigbee网络中，zigbee主节点将接收到的各个节点的环境参数通过串行通信协议，使用uart0串口传送到控制系统中，这样控制系统便得到了贮水池温度和各个分节点的大棚温湿度的数值。将其归档处理后，通过PA0~PA7数据输出接口输入到12864液晶显示屏幕上，供用户查看。这时等待用户键盘输入，如果未输入，则停留在这里，继续实时显示各个节点的温湿度情况；如果用户想要设置理想的温湿度值，那么通过外置键盘手动输入，控制系统对与键盘相连的PB0-PB7端口做相应的输入输出设置，来读取键盘输入的值，赋给相应参数。当用户键盘输入温湿度值完毕时，屏幕上会出现确认提示，点击键盘上确认按键后，控制器开始进行调节工作。

显示屏幕和输入键盘是设备与用户的交互界面，在这一界面上，用户可以完成包括数据输入、调节开始、调节终止、更改数值等一系列命令。

在得到确认调节开始命令后，控制器根据理想温湿度值和各个节点温湿度情况，开始处理数据。首先，综合各个温湿度节点的当前值求得一个当前室内温湿度的平均值。

  n为温湿度节点数；

 n为温湿度节点数；

然后该平均值与理想温湿度值做偏差计算，得到偏差值、偏差值的积分以及偏差值的微分等，公式如下。

其中：

位置型PID算法公式：

采用位置型数字PID算法，通过调节出的合适的P、I、D参数（经过大量实验得到），计算出相应的PWM值。PWM又称脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。最后，控制器内部的PWM模块输出特定的PWM值来控制相应继电器工作，而继电器控制水泵、风扇开始工作，来调节温湿度。在调节过程中，zigbee网络将温湿度节点数值实时传送到控制器，参与偏差运算，同时显示屏幕上；同时，用户可以随时退出调节过程，可以选择重新输入温湿度值，或者退出系统。

本发明首先从实际的温室大棚的建设中入手，建造出两层保温薄膜结构，匹配两套卷帘机，这样是温室大棚可以覆盖两层，冬季保温性能好，然后将现代电子信息技术应用于温室大棚温湿度控制系统中，以高效稳定的电子器件为基础，针对我国东北冬天寒冷天气中温室大棚室内温湿度难以良好地采集与控制，同时为了减轻农民朋友的经济负担和劳动量，克服使用传统供热方式对环境产生影响等不足，因地制宜，结合东北平原冬季风大的特点，采用节能环保的风力作为能源，用稳定可靠的控制系统，高效、智能地调控温室大棚内部的温湿度，让农作物可以始终保持在相对适宜稳定的生长环境中，提高农作物的产量。整套系统分为保温部分、加热部分和室内温湿度控制部分。

在温室大棚建设时，建设两层支撑保温薄膜的支架，匹配两套卷帘机系统，这样冬季时可以在上面覆盖两层保温材料，增加冬天大棚的保温，同时卷帘机系统收放自如，并不影响白天大棚内的采光性。

加热部分由风力发电机和贮水池组成。

风力发电机：系统使用高效率的三相交流永磁同步风力发电机系统，按照专业步骤安装风力发电机。第一步：浇筑底座及地锚基础和安装塔架底座。塔架底座和固定地锚的布局，底座和地锚布置时要注意两个边地锚的连线要和地脚上两个销孔的连线平行，保证固定钢索间的拉力平衡，易于调整；按照上一步的布局开始挖混凝土浇筑坑，中心底座处的坑边长0.7m深0.8m，四个地锚处的坑边长0.6m深0.8m；浇筑混凝土，混凝土中放入少许钢筋，四根地脚螺栓,注意与底座孔相一致；四根环形地锚向着底座放置，检查四根地锚的环勾与底座中心的距离，四根地锚基本水平；用螺栓将底座固定在事先浇好的水泥座上。第二步，将风力发电机通过塔架固定在塔架底座上。其中，发电机采用专利技术的永磁转子交流发电机，配以特殊的定子设计，可以有效地降低发电机的阻转矩；风轮叶片采用采用增强玻璃钢材质，结实耐用，采用先进的机械偏航技术，大风时尾翼自动偏折，有效保护风机，配以优化的气动外形设计和结构设计，可以自动调整迎风角度，风能利用系数高；将转子电压直接与贮水池加热系统中的加热丝相连，不需要逆变器、控制器等设备的转换，利用率达到最大。这个风机的技术参数如下表所示：

贮水池：贮水池采用混凝土浇筑而成，简单可靠，防渗性能好，设置在温室大棚内部距离地面2-3米处，不占空间，也不影响农作物的正常生长，同时有效的防止冬天天气寒冷导致水池中的水结冰的情况，在地下也有保温的性能，一举多得。风机与水池内部加热系统连接的电线一定要尽可能粗，可以承担大的电流，防止出现断路情况。贮水池的进水口和出水口通过钢管与温室大棚的散热片相连，在出水口处设有循环水泵，控制水泵来达到控制散热片流水温度的目的，从而调节温室大棚的温度。该循环水泵采用封闭转子式设计，既可泵送冷水，更可以泵送热水，且可耐受泵送液体的温度骤变，具有自动运行，静音，无泄漏等特点。马达具有过热保护功能。使用液体温度：+2°C至100°C；额定功率：100W，交流220V供电；额定扬程：8.5米；额定流量：30L/min。

室内温湿度控制部分由传感器节点和控制系统组成。

传感器节点：在温室大棚中温度、湿度的重要性显得非常高，对于农作物的生长起到十分关键的作用，因此温湿度传感器在温室大棚中的应用是缺少不了的，并且对精度的要求很高。本发明中采用DHT11数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，每一项都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。供电电压：3.3~5.5V DC；单线制串行接口，输出单总线数字信号，单片机可直接读取；测量范围： 湿度20-90%RH， 温度0~50℃；测量精度：湿度±5%RH， 温度±2℃；分辨率：湿度1%RH，温度1℃；产品为4针单排引脚封装，连接方便。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，同时超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。使用时将其连接zigbee节点模块，模块将其通过zigbee网络直接发送到控制系统中。

贮水池的温度传感器采用DS18B20数字传感器，它是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。工作电源: 3.0~5.5V/DC（可以数据线寄生电源）；测温范围：－55℃～+125℃，固有测温误差1℃；支持多点组网功能，实现多点测温；独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，测量结果以9~12位数字量方式串行传送；在使用中不需要任何外围元件。使用时同样将其连接到zigbee节点模块，模块将其通过zigbee网络直接发送到控制系统中。

控制系统：控制芯片采用飞思卡尔系列MC9S12XS128微控制器，成本低、性能可靠。该芯片自带高精度AD模块与高稳定性的PWM模块，便于系统的使用。显示屏幕采用12864液晶显示屏，它是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，该点阵的屏显示清晰度可调，适应性好，且成本相对较低。使用时，微控制器将键盘、显示屏幕、zigbee主节点、控制水泵和电风扇的继电器连接在一起。启动系统时，控制器首先读取温室大棚内各温湿度节点、贮水池温度节点的数值，将其显示到屏幕上，用户可以根据目前农作物所处生长期应该保持的生长状况，手动键盘输入特定的温湿度值，控制器综合各个温湿度节点的当前值和温湿度的目标值，通过PID算法，输出特定的PWM值控制相应继电器工作，继电器控制水泵、风扇开始工作，调节温湿度，同时zigbee将温湿度节点数值实时传送到控制器，并在屏幕上显示。

整个系统装置节能环保，其中加热部分单个用户可以只建造一个，多个温室大棚同时使用。整体稳定可靠，操作简单，变化灵活，应用领域广泛，可以拓展到其他相关的生产设备上。

验证：

实验时间是12月初，在实际种植花卉的大棚中进行测试。由于白天光照充足，大棚内部可达到20℃以上，到黄昏时温度逐渐下降，但是夜晚需要温度保持在15℃左右，所以在温度下降到12℃时开启系统以查看升温过程是否达到实际要求。水池中水温可以随着风机数量的增加或者风速增大而上升。实际测试时，采用3kw的风机一套，水池中水温为45℃左右。开启系统后，每20分钟记录一次当前大棚内部温湿度值平均值，共记录18次，时间大概6小时，连续测试三天，得到三组实验数据如下。

由温度变化的滑点图可以看出，大棚温度可以有效地上升到所设定的目标温度，每小时增长1℃左右，且可以让温度控制在目标温度值左右，并且没有超调。

图9和图10中由湿度变化的滑点图可以看出，在夜晚大棚湿度会随着温度的上升而上升，在调节过程中会有一个小超调，不过可以慢慢回复至目标湿度。

总体来说，控制温湿度良好，可以有效防止夜间温度下降导致大棚温度骤降对农作物带来的影响。

Claims (3)

1. 一种温室大棚中温湿度控制系统，其特征在于：系统分为保温部分、加热部分和室内温湿度控制部分；

   （1）保温部分：采用两层支撑保温薄膜的支架，匹配两套卷帘机系统；

   （2）加热部分：由风力发电机和贮水池组成；

   a、风力发电机：使用高效率的三相交流永磁同步风力发电机系统，按照专业步骤安装风力发电机；

   b、贮水池：贮水池采用混凝土浇筑而成；

   （3）室内温湿度控制部分：是由xs128最小系统、键盘模块、12864屏幕显示模块、zigbee模块、温度传感器模块、温湿度传感器模块、pwm输出模块构成；

   a、xs128最小系统：标号31的 VDDR引脚作为外部供电电源输入端，标号77的VDDX1引脚作为外部供电电源输入端，VDDA引脚标号59为外部电源输入端，标号60的VRH引脚作为A/D变换参考电压，晶振电路连接到芯片上的EXTAL、XTAL引脚上，按钮加阻容电路设计的复位电路接入芯片中的RESET引脚，P4——BDM接口中3引脚接到芯片BKGD引脚，4引脚接到芯片RESET引脚，其他所有的IO口单独引出，供外部模块连接使用；

   b、键盘模块：1-8端口分别连接xs128最小系统中PB0-PB7口；

   c、12864屏幕显示模块：DB0~DB7接口对应xs128最小系统中PA0~PA7接口，RS、R/W、E、PSB接口分别对应xs128最小系统中 PE3~PE0接口；

   d、zigbee模块：采用CC2530芯片，分为模块的供电部分                                                ，信号的收发部分②，时钟部分③，I/O接口部分④；

   模块的供电部分为整个模块供电；

   信号的收发部分通过SMA接口的射频天线，芯片上RF_P、RF_N两个引脚相连；

   时钟部分为工作芯片及射频信号提供实时时钟；

   I/O接口部分，作信号的输入与输出；

   其主节点模块中P0-2、P0-3口分别与xs128最小系统上PS0、PS1口相连，分节点中P1和P2插针分别对应温度传感器模块、温湿度传感器模块中JP8、JP9插排接口；

   e、温度传感器模块：温度传感器模块DHT11的2引脚接到JP9插排的5引脚，与zigbee模块的P0-0口相连；

   f、温湿度传感器模块：温湿度传感器模块DS18b20的2引脚与JP9插排的6引脚，与zigbee模块的P0-1口相连；

   g、pwm模块：是将xs128最小系统中的PP0-PP7接口外引出来，用作单独的PWM接口。
2. 权利要求1所述的温室大棚中温湿度控制系统的工艺流程，其特征在于：

   a、外部风力发电机为提供源源不断的电力能源，电热丝将其转换热能给贮水池中的水加热；

   b、贮水池内温度传感器和大棚内温湿度传感器采集当前环境参数，并将数据送入到各个zigbee分节点中；

   c、在建立的Zigbee网络中，zigbee主节点将接收到的各个节点的环境参数通过串行通信协议，使用uart0串口传送到控制系统中，这样控制系统便得到了贮水池温度和各个分节点的大棚温湿度的数值；通过PA0~PA7数据输出接口输入到12864液晶显示屏幕上；

   d、显示屏幕和输入键盘是设备与用户的交互界面，在这一界面上，用户可以完成包括数据输入、调节开始、调节终止、更改数值等一系列命令；

   e、控制器根据温湿度值和各个节点温湿度情况，开始处理数据，首先，综合各个温湿度节点的当前值求得一个当前室内温湿度的平均值：

    n为温湿度节点数；

    n为温湿度节点数；

   f、然后该平均值与理想温湿度值做偏差计算，得到偏差值、偏差值的积分以及偏差值的微分等，公式如下。
3. 其中：

   位置型PID算法公式：

   g、采用位置型数字PID算法，通过调节出P、I、D参数，计算出相应的PWM值，最后，控制器内部的PWM模块输出PWM值来控制相应继电器工作，而继电器控制水泵、风扇开始工作，来调节温湿度；在调节过程中，zigbee网络将温湿度节点数值实时传送到控制器，参与偏差运算，同时显示屏幕上。