CN1286020A - 温室微电脑综合测控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对于温室内的温度、气体、土壤湿度进行测量并由此测量得出相应控制信号的方法,及采用这种方法对温室内的温度、气体、土壤湿度进行控制的装置。本发明的方法是:以阳光照度、温度和时间作为温室内二氧化碳浓度的函数,以时间作为温室土壤湿度的函数。以实测所得室内温度作为控制室内温度的函数,并进行通风作为控制室温的措施。根据本发明的方法制成相关的测控装置。本发明使用太阳能电池充电蓄能,不需外接电源。

Description

温室微电脑综合测控方法及装置

本发明涉及对于温室，特别是对日光温室内的温度、室内某种气体、土壤湿度进行测量并由此测量得出相应控制信号的方法，以及采用这种方法对温室内的温度、室内某种气体、土壤湿度进行控制调整的装置。在本发明的方法中以实测所得室内温度作为控制室内温度的函数，以温度测量元件为室温测量器件，并用开启或关闭温室窗户或者启动或停止向室内进行强制通风作为控制室温的措施。本发明使用太阳能电池供电，采用充电电池蓄电，组成系统的工作及动力电源，因此不需任何外接电源，不受电力限制。

利用温室进行作物的栽培和种植早已是一件众所周知的技术，近年来由于农业科技的推广和日光温室技术的成熟，温室，特别是日光温室，已在我国农村大量普及，同时一些以前人们从未采用的农业技术也在我国农村相当范围内普及使用了。例如通过对温室内某种气体(主要是对二氧化碳的浓度)的控制和调整以增加温室作物的产量，通过对温室内土壤湿度的测控以达到节水降低农产品成本，等等。也正是由于对现代农业技术的使用使对温室内相关参数的测控成为提高温室作物产量降低生产成本的一个关键因素。在现阶段，对于温度测控较为普遍采用的是用温度计等温度测量器件测量温室内的温度，在温度过高时用人工开启温室通风窗或启动强制排风扇，温度低时则关闭温室通风窗或关闭强制通风扇；对于温室内土壤湿度的测控多是凭肉眼观察和经验以及采用室内的滴灌、喷灌或者渗灌等灌溉措施，但在日光温室内更多是通过人力浇灌；对温室内二氧化碳浓度测控则只在少数技术条件较好地区采用，具体的是利用二氧化碳分析测定装置得出二氧化碳浓度值，用胶管接在二氧化碳气瓶上，打开气阀，然后顺着作物行间走动，放一二个小时。在现有技术中除对温度测控技术较为成熟普遍和可靠外，其余的技术均有许多不足，例如，采用肉眼观察或经验方法进行测控并据此进行滴灌、喷灌和以人力进行浇灌是造成现有温室内高温高湿现象的一个主要原因，这会引起温室内植物病害的发生；而利用二氧化碳测定装置测量和控制室内二氧化碳浓度，又因装置价格过高，测定时所需技术较为复杂，难以推广。现已知的将温室内温度、土壤湿度和二氧化碳浓度综合进行测量并进行控制的装置是以色列生产的装置，这种装置虽然具有较好的使用效果，但其不菲的价格(每套温室的控制装置价格为三万元)却使中国绝大多数农民根本无法问津。除以上所述的现有技术的不足外，由于所有的对温室参数进行测控的现有技术均需电力为其能源，这也造成在我国经济不发达地区，老、少、边、穷地区以及无电力供应或缺少电力供应的地区而言不可能实施现有技术。

本发明的目的是提供一种能克服现有技术不足，能对温室的温度、土壤湿度和室内二氧化碳浓度进行监测并据此进行控制的方法，和以实现本发明的方法，能具有较低商品价格，能有效地对温室内各参数进行测量和控制，在一般条件下不依赖于电力供应作为装置能源的温室参数测控装置。

本发明的方法是：以阳光照度和时间作为温室内二氧化碳浓度的函数，当温室内照度高于预定值时开启二氧化碳送气系统，在二氧化碳送气至预定时间后停止输送二氧化碳，而当照度小于预定值时关闭二氧化碳送气系统；以时间作为温室土壤湿度的函数，按事先预定时间启闭向温室供水的给水系统。

本发明的装置是在现采用的带有温度测量元件、温室窗户开启装置或强制通风系统的基础上再附加作为温室内二氧化碳气体浓度参比参数测量元件的照度测量器件和用作为作物灌溉参数测定元件的时间测定器件，及采集和处理温室内温度、时间、照度等参数并产生相应控制信号的微处理器，受微处理器控制的温室给水系统驱动电路、二氧化碳送气启闭系统驱动电路和控制温室窗户开启装置或强制通风系统的驱动电路等构成。

在本发明的装置还可以采用以下技术措施：

本发明装置中的照度测量器件为太阳能电池。

在本发明的装置中的给水系统可以是自来水，但最好是采用高位蓄水槽和电驱动输水阀，二氧化碳送气启闭系统由二氧化碳蓄气源和电驱动的输气阀构成。

在装置中所采用的室温控制系统是受微处理器控制的强制通风排风扇，或者是用微处理器控制的由小功率电机带动的可开和关的温室窗户。

在本发明的装置中，所采用的电驱动输水阀和二氧化碳输气阀均采用磁保持电磁阀，或者采用另一种实施例，即电驱动输水阀和二氧化碳输气阀均采用旋塞阀，并用带有减速机构的受微处理器控制的小功率电机实现旋塞阀的启闭。

更为主要的是本发明的装置采用了太阳能电池和用太阳能电池进行充电的蓄电池供电。

本发明具有以下优点：

1、采用本发明后可以大大降低温室的劳动强度，并可以提高工作效率，根据测算，采用本发明的装置后每人可以管理15亩温室，而在现有技术中每人只能管理1.57亩的温室；

2、本发明的方法以时间作为温室内土壤湿度的测控函数，针对具体的温室而言是通过事先的检测确定需灌溉的时间和水量，实行定时灌溉，同时因为采用高位蓄水槽措施，可以基本保持输出水量的衡定，因此既可以保障植物生长的正常水份供应，又可以在一定程度上避免和克服现有技术中无法解决的温室内高温、高湿的问题，更有利于作物生长，同时还可以节约用水量，降低作物生长成本；

3、根据现代农业技术的研究证明，晴天或云量不重的气象条件下每日太阳升起后的两个小时左右温室内的二氧化碳浓度最低，这一研究结果即为本发明中用照度作为温室内二氧化碳浓度的函数进行测控的理论根据，采用这一技术措施可以大大降低装置的成本，同时可以在一个较为模糊的范围内控制温室内的二氧化碳浓度，为作物的生长提供有利的条件；

4、在本发明的装置中由于采用了受微处理器控制和小功率电机控制的可开和关的温室窗户，采用的电驱动输水阀和二氧化碳输气阀均为磁保持电磁阀，或者电机驱动输水阀和二氧化碳输气阀均采用旋塞阀，而用带有减速机构的受微处理器控制的小功率电机实现旋塞阀的启闭，等技术措施，使整个装置的使用能耗极低，这进一步降低了装置的使用成本，同样也进一步降低了作物的生长成本；

5、在本发明的装置采用了太阳能电池和用太阳能电池进行充电的蓄电池供电，同时采用高位蓄水槽利用重力进行自流灌溉，因此本发明可以实现无“能耗”工作，这就为无电力地区和我国广大经济不发达地区，老、少、边、穷地区应用提供了可能；

6、本发明的装置成本可以比较低，这一点可以通过后叙实施例中有关数据得以证实，这就为本发明的推广提供了极为有利条件。

附图说明

附图1为本发明的原理框图，附图2为本发明的装置原理图，附图3为本发明的磁保持电磁水阀和气阀的结构示意图。附图4为用小功率电机带动的旋塞阀机构及传动示意图。

以下结合附图对本发明的装置进行详细解说

图1是本发明的系统框图，它的核心由单片微处理机(20)构成，用于处理与时间和温度等有关的数据。另外有关日光的照度、温度及时间等综合信息经处理后分五路控制相关的设备：第一路控制二氧化碳施肥、第二路控制通风装置、第三路和第四路控制灌水及施肥、第五路为低温报警装置(1)或温度控制接口(2)，(3)为温度传感器，(4)和(8)为LCD显示器，图1中的(10)为太阳能电池板，太阳能电池由光转换为直流电对充电电池(6)充电，由充电电池供给单片机(5和9)及电动水阀驱动电路(11)、(12)、通风电机驱动电路(13)和磁保持电磁阀的驱动电路(14)，(19)为磁保持电磁气阀，(18)为通风窗开启电机或强制通风扇电机，(16)与(17)为电动水阀。灌溉水源可用自来水，但最好在大棚内安装高位蓄水槽，电动水阀装在高位蓄水槽的底部，利用落差灌水。(11)与(12)为电动水阀的驱动电路，电动水阀的电机最好采用小功率直流减速电机，(7)为本装置的操作按键，有关温度控制点的设置，高低温报警值的设定及二氧化碳施肥的时间，通风、灌水、施肥的时间均可根据作物的生长条件通过(7)任意设定。

整个系统工作原理如下：

图1中的太阳能电池板(10)将太阳能由光转换为直流电并对充电电池(6)充电，并对以下电路供电：单片机(20)、电动水阀驱动电路(11)、(12)、通风电机驱动电路(13)和磁保持电磁阀的驱动电路(14)。

1、温室内的温度测控

温度传感器(3)将所检测到的温室温度信号送入微处理器(20)中，在微处理器中已事先预定建立了有关的程序，并在使用前预选确定了相关的控制参数，当测得的室内温度高于预先设定值时，经微处理器(20)给出高电平信号至驱动电路(13)并由(13)控制执行机构(18)动作，开启窗户或者启动电扇转动，通风换气并降低室内的温度。当温度低于预先设定值时，由(3)所测的温度信号送入微处理器(20)中产生低电平控制信号给(13)，执行机构(18)反向运动使窗户关闭或停止通风电扇转动。

2、温室内二氧化碳浓度的测控

在规定时间内，由检测系统(15)检出的太阳能电池(10)产生的电压信号送入微处理器(5和9)，由微处理器将所送入的信号与预先设定的值进行比较，当所测得信号小于预先设定值时，如阴天或太阳光线达不到规定照度的时间，由微处理器(20)给出禁止信号，此时驱动电路(14)和气阀(19)不工作，但当(15)所检出的信号大于预先设定值时，微处理器(20)给出信号至驱动电路(14)，并由(14)控制气阀(19)开启将二氧化碳气体送入室内，在这一同时微处理器(20)开始计时，当送气时间达至预先设定时间后［经事先测量并将气阀(19)调至适当大小，这时送入室内的二氧化碳量近似为时间的函数，通过对输气时间的控制即可以达到对输气量的控制］由微处理器给出禁止信号至(14)，并由驱动电路(14)控制气阀(19)关闭，停止向温室内输送二氧化碳气体。在规定时间内之外(注：这段时间是指在夜间)，无论由检测系统(15)检出的太阳能电池(10)产生的电压信号高于或低于预先设定值，微处理器(20)均给出禁止信号，执行机构也相应均不动作。

在本发明中为防止在向室内输送二氧化碳的同时又进行开窗或通风的现象，可以在装置中设置互锁电电路，其最简单的办法是在装置的工作程序设置中将通风降温与向室内输送二氧化碳分配在不同的时段。

3、温室内土壤湿度的测控

对具体的温室而言，应事先测定出室内温度、作物和时间变化引起的土壤水份变化关系，并据此计算出补充浇水的数量，将有关参数设置入微处理器(20)内，在工作中由微处理器(20)内的时钟提供时间基准，定时向驱动电路(11)和(12)给出信号，控制水阀(16)和(17)开启向置于温室内的灌溉系统送水进行浇灌，在浇水至预定时间后由微处理器(20)给出信号至(11)和(12)，控制关闭水阀(16)和(17)，停止向室内的浇水。

本发明中的灌溉水源可用自来水，但最好是在大棚内安装高位蓄水槽，而将电动水阀装在高位蓄水槽的底部，利用落差灌水，这样还可以使输入的水为一衡定值，便于定量浇灌。此外(16)与(17)的电动水阀进水端可以与施肥器相通，这样在灌水的同时还可以实现给予作物施肥。

另外在本发明装置中可用操作按键(7)进行有关温度控制点的设置，高低温报警值的设定及二氧化碳施肥的时间，通风、灌水、施肥的时间等的设定，这样可以根据具体作物的生长条件任意设定最佳的控制方式。

在实现上述的测控过程中，微处理器(20)可以将时间、即时工况代码等信息送至LCD显示器上显示。

附图2为本发明的一个实施例中能源供应及相关的检测和驱动电路，它包括：太阳能电池板(10)、太阳能充电电路(6)、太阳能照度检测电路(15)、磁保持电磁阀和电动阀的驱动电路(14)、(11)。其中B1为太阳能电池板。B1置于阳光下所产生的电流通过R1、D1和LED对蓄电池B2充电，B2为整个系统的供电电源。在充电的过程中发光二极管LED流过的电流使其发光，作为充电指示。图2中虚框甲(6)为太阳能充电电路和太阳能电池(10)，其产生的电压信号送至检测电路(15)，当所测得电压高于设定值时，发光二极管LED两端电压大于1.4V，信号经D2送到运算放大器A1，放大后输出3V的电平信号，该信号再经A2与C1、R3组成的P1调节器输出5V的高电平信号，经R4通过驱动电路(14)直接驱动磁保持电磁阀工作。当由太阳能电池所产生的电压信号(此信号即为阳光照度值的间接表达信号)低于设定值时，发光二极管LED两端电压低于1.4V时，运算放大器A1的输出电压低于3V，由于D3稳压值的限幅电压为3V，A2输出电压为“0”，P1调节器为比例积分调节器，本电路设计的目的是为了防止太阳能电池产生的电压在1.4V上下波动时引起磁保持电磁阀的抖动。除了受照度控制外，输送二氧化碳施肥还受时间的控制，即在每天设定的时间内当阳光达到一定照度后，二氧化碳气阀才打开，如遇天气变化，照度达不到规定值，二氧化碳气阀也不打开。

在图2中的虚框(14)内为磁保持电磁阀的驱动电路，即图1中的(14)，它可以是本发明所使用的一种水阀或气阀，其工作原理为：当到达开启时间时，反相器YF2输入端为高电平，电压信号经C1加到S6、S7的控制端，由于电容两端电压不能突变，S6、S7控制端电压由高到零，产生一个正向脉冲，瞬间使S6、S7导通后又断开，磁保持电磁阀吸DF合自保。当反相器YF2输入端为低电平时其输出端为高电平，同样经C2加到S5、S8的控制端瞬间产生正脉冲使S5、S8其导通后又关断，磁保持电磁阀DF关断，S1-S8为模拟量开关。

图2中(11)虚框内为电动阀，其工作原理是，当到达开启时间时，反相器YF1输入端为高电平时，信号经R6加到模拟量开关S1及S4的控制端使其导通，电机M1正转，带动阀门打开，到位后，限位开关AN2闭合，S1及S4的控制端接地使其断开，电机M1停止。当到达关断时间时，AYF1输入端为低电平时其输出端为高电平，信号经R5，使模拟量开关S2、S3导通，电机M1带动阀门反转，到位后限位开关AN1闭合，电机M1停止，此电路除可控制水阀和气阀外还可以控制使通风窗的开启和关闭的执行电机。

另需说明的是附图1中的(12)、(13)的驱动电路均可与(11)相同。

附图3为本发明的磁保持电磁水阀和气阀的结构示意图，(41)为阀体，(42)为阀芯，(43)为阀芯采用软铁材料制成的带有T型头部的连杆，(44)为线圈，(45)为一永久磁铁。这种阀门是利用直流通电软铁磁性材料的磁场记忆效应，其工作原理是直流正脉冲通过软铁外围的线圈时软磁材料被磁化，当磁化极性与永久磁铁的极性相反时，阀杆被吸起，此时阀门处于开启状态；直流负脉冲通过软铁外围的线圈时，当磁化极性与永久磁铁的极性相同时，阀杆被排斥至使阀芯盖于阀体的密封面上，此时阀门处于关闭状态，也正是由于其工作原理的特点，这种阀门可以在瞬间(注：一般不大于0.5秒)实现阀门开启或关闭的功能，平时并不消耗电能。前述的附图1中磁保持阀驱动电路即为附图2的虚框(14)的电路。

附图4为本发明的电驱动输水阀和二氧化碳输气阀实施例，在这一实施例中水阀与气阀均采用了旋塞阀(31)，并采用可逆的带有减速机构的小功率电机驱动(32)(注：这种电机的工作电压为6V，功率约为1.8W，有商品出售)阀门实现启闭，其具体的结构是在可逆减速电机的输出轴(33)上固定小皮带轮(34)，在旋塞阀(31)的阀芯杆(35)上端固定大的从动皮带轮(36)，二者间用皮带(37)传动，并用实现旋塞阀的启闭。需说明的是在实际的应用中也可以采用球阀或闸阀代替附图4中的旋塞阀。另需说明的是本实施例的结构也可用于温室窗户的开关，其具体做法是在窗户的转轴上固定从动大皮带轮，用带有减速机构的小功率电机驱动。

以下提供本发明的一个实际应用例，在总系统与附图1相同，但由于器件选用的原因，微处理器(20))采用了两片SN9858(5)和(9)，其中(5)用于处理与温度有关的数据，(9)用于处理与时间有关的数据。在系统中温度传感器(3)采用热敏电阻，在实施例中的驱动电路水阀均采用了如附图2的虚框(14)中的磁保持电磁阀的驱动电路，相应的水阀(16)和(17)为磁保持阀。系统中的太阳电池板(10)规格为6V、1W，充电电池为6V、1.2AH。在本实施例中采用的流程见图5。

在上述的实施例程序中，温室内温度低于设定温度时可采用暖汽加热，或直接在温室内燃烧液化气加热，等措施。当然，对于缺少条件的地区，也可以取消这一路控制。

对本实施例的能量平衡核算如下：

能量供应：

所选用的太阳能电池所提供的电能为6V1W，其平均电流为0.15A，根据实际试验，在晴天条件下每天可对充电电池补充1.1AH，在阴天时可补充0.15AH：

整个系统的电量消耗为(注：以下计算中没考虑对温室内温度进行控制及加温所用的能耗，并且温室内降温是采用开窗自然通风方式，以下所列值均为实测值)：

水阀每开或关一次所耗电量为      0.00083AH，

气阀每开或关一次所耗电量为      0.00056AH，

开窗或关窗一次所耗电量为        0.003AH，

按各被控装置(指水阀、气阀和窗户)每日做两次开关(实际上在一般情况下仅需做一次开关)计，所耗电量为0.01756AH，本发明实施例的控制部分电量消耗为0.05AH，总耗电量为0.06756AH。由此可见本发明的装置即使在阴天条件下也能正常工作，无需外界能源补充。

经实际核算，本发明的装置其成本价格约为一千元左右(人民币)，其商品价格不会超过二千元(人民币)，因此是中国农民完全可以接受的。

Claims (9)

1、一种温室参数的测控方法，包括用温室内的温度值作为控制温室内温度控制的函数，在室温超过事先预定数值后开启温室通风窗户或者向温室内强制通风，其特征在于以照度作为温室内二氧化碳浓度的函数，当温室内照度高于预定值时开启二氧化碳送气系统，在二氧化碳送气至预定时间后停止输送二氧化碳，当照度小于预定值时关闭二氧化碳送气系统，以时间作为温室内湿度的函数，按事先预定时间启闭向温室供水的给水系统。

2、一种实现权利要求1所述的方法的温室参数测控装置，包括温度测量元件，温室窗户开启装置或强制通风系统，水阀等，其特征在于所述装置中有作为温室内气体浓度参比参数测量元件的照度测量器件，用作为作物灌溉参数测定元件的时间测定器件，及采集和处理温室内温度、时间、照度等参数并产生相应控制信号的微处理器，受微处理器控制的温室给水系统驱动电路、二氧化碳送气启闭系统驱动电路和控制温室窗户开启装置或强制通风系统的驱动电路。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于装置中的照度测量元件为太阳能电池。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的给水系统由高位蓄水槽和电驱动输水阀构成，二氧化碳送气启闭系统由二氧化碳蓄气源和电驱动的输气阀构成。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的室温控制系统是小功率电机控制的可开和关的温室窗户。

6、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的室温控制系统为电动排风扇。

7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于本发明的电驱动输水阀和二氧化碳输气阀均采用磁保持电磁阀。

8、根据权利要求5所述的装置，其特征在于本发明的电驱动输水阀和二氧化碳输气阀均采用旋塞阀，并用带有减速机构的小功率电机实现旋塞阀的启闭。

9、根据权利要求2至7所述的任一装置，其特征在于本发明的装置采用了太阳能电池和用太阳能电池进行充电的蓄电池供电。

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