摘? 要： 針對設施農(nóng)業(yè)全自動控制的需要，研制了HQ-1型溫室智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC機為上位機，單片機系統(tǒng)為下位機，實現(xiàn)了對溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、pH值、EC值、液位等24路模擬量的數(shù)據(jù)采集，以及天窗、遮陽網(wǎng)、通風機、補光燈等21路狀態(tài)開關量的檢測和自動控制。
關鍵詞: 溫室? 單片機? 數(shù)據(jù)采集? 智能控制
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如何發(fā)展適合在中國廣大農(nóng)村推廣普及的先進的設施農(nóng)業(yè)是提高我國設施農(nóng)業(yè)總體技術水平的一個急待解決的問題。設施農(nóng)業(yè)的全自動控制系統(tǒng)是體現(xiàn)總體技術水平的一個重要標志，降低系統(tǒng)的總體成本、提高系統(tǒng)的可靠性成為發(fā)展設施農(nóng)業(yè)的一個關鍵問題。為提高溫室技術水平，自1970年以來，國內(nèi)一些省市先后從國外引進了一批現(xiàn)代化的溫室設備及控制系統(tǒng)。但這些設備和系統(tǒng)價格昂貴，運行成本高，在國內(nèi)推廣普及困難。在中國科學院和安徽省農(nóng)業(yè)廳的大力支持下，在安徽省農(nóng)業(yè)高科技示范園，作者以80C51單片機為核心，獨立自主地完成了環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和智能控制系統(tǒng)的研制。本文對該系統(tǒng)作一介紹。
1 功能簡介
HQ-1型溫室智能控制系統(tǒng)具有以下功能:
(1)以數(shù)據(jù)和曲線形式實時顯示棚室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，并可查詢歷史記錄;
(2)實現(xiàn)對溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、pH值、EC值、液位等24路模擬量的數(shù)據(jù)采集，以及天窗、遮陽網(wǎng)、通風機、補光燈等21路狀態(tài)開關量的檢測，并將24小時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫;
(3)顯示執(zhí)行機構開、閉情況;
(4)操作員通過設計的“軟開關”開閉各執(zhí)行機構;
(5)具有較完備的大棚作物知識庫和專家系統(tǒng);
(6)具有開放式的設計平臺，實時查詢、修改、增加和刪除大棚作物知識庫知識;
(7)依據(jù)知識庫知識實行智能化管理和控制;
(8)通過人機交互設定滴灌開閉時間，對滴灌實施自動控制;
(9)采用多媒體技術，對系統(tǒng)異?；蜃魑镆筮M行語音提示。
2 硬件構成
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
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HQ-1型溫度智能控制系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示。下位機以80C51為核心，對其外圍存儲器進行擴展，通過74LS138譯碼器將RAM地址空間分為8塊，每塊占8K地址空間。0000～1FFFH段的地址空間作為數(shù)據(jù)存儲器空間，用來存放從傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及檢測到的天窗等的狀態(tài)信息。U6、U8、U9為三片8路A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，分別用Y1、Y2、Y3進行片選，占去2000～7FFFH段地址，作為采集24路溫濕度等傳感器數(shù)據(jù)的進出口。80C51的I/O口P10用作控制RS-485半雙工串行通訊的收發(fā)，U7和U16是擴展的并行I/O口，用Y4、Y5片選，占用8000～BFFFH段地址。從機系統(tǒng)通過P11～P17和U7、U16的PC口來控制繼電器的吸合，P1口、PC口與繼電器之間用光電耦合器進行隔離，防止設備或繼電器的干擾影響系統(tǒng)的正常運行。這種控制方法不需要任何外圍附加器件或設備就能直接驅(qū)動繼電器工作，而且一次只能開啟或停止一個繼電器的動作，其它繼電器不受影響，因此可以很方便地實現(xiàn)任一路繼電器的控制。U7的PB0～2用作查詢A/D轉(zhuǎn)換結束標志，U7的PA口用作從站地址的輸入口，8位撥動開關按二進制編碼，用戶可以選用1～254作為從站地址。ON為0，OFF為1。U7的PB3～7和U16的PB口用作天窗等開關狀態(tài)的輸入口。
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單片機與主機的通訊采用RS-485串行通訊方式。SN75LBC184將RXD、TXD的TTL電平轉(zhuǎn)換成差分信號，以利于遠距離傳送。在上位機利用SN75LBC184將差分信號轉(zhuǎn)換成TTL電平，再通過1488和1489將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232的接口信號。
3 軟件構成
軟件包括兩大部分，即上位機軟件和下位機軟件。上位機軟件采用Visual Basic語言和Access數(shù)據(jù)庫編寫，下位機軟件采用匯編語言編寫，動態(tài)鏈接庫用C語言編寫。
3.1 上位機軟件
上位機軟件包括如下模塊:專家系統(tǒng)模塊、自控系統(tǒng)模塊、滴灌系統(tǒng)模塊、手工控制模塊、查詢模塊、營養(yǎng)液模塊等。
3.2 下位機軟件
程序開始時，先關閉中斷，對系統(tǒng)進行初始化。這包括單片機的各寄存器、RAM和外部I/O口(包括擴展I/O口)的初始化、串行口的工作方式和波特率的設置等，同時還包括設置各種設備的起始狀態(tài)。完成初始化后，對24路傳感器中的數(shù)據(jù)進行采集。將每一路傳感器中的數(shù)據(jù)連續(xù)采集三遍，取中間的值作為該傳感器的數(shù)據(jù)(中值濾波)。24路全部處理完后，檢測天窗、遮陽網(wǎng)等的開關狀態(tài)，并將各傳感器數(shù)據(jù)和開關狀態(tài)信息存入相應的RAM，再開中斷。之后，程序進入數(shù)據(jù)采集、濾波、讀狀態(tài)信息的循環(huán)等待呼叫狀態(tài)。接到呼叫后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理，接受命令，轉(zhuǎn)入命令處理。命令處理包括傳送數(shù)據(jù)及報告故障信息、控制各電機的啟動與停止，以及各補光燈、CO2發(fā)生器等的開、關等動作。命令處理完畢后，再進行恢復中斷處理。在控制動作中，對同一個對象的相反動作(例如天窗的開、關)的控制不能同時進行。如果發(fā)生這種情況必須先停止前一個動作，再對目前命令進行處理。
4 可靠性措施
為了提高系統(tǒng)的可靠性，防止外來干擾影響系統(tǒng)的正常工作，在硬件和軟件上都采取了措施。在硬件上，除了采取一般的防止干擾措施外，還在系統(tǒng)的狀態(tài)輸入口和控制端口采用光電隔離器以防止來自繼電器的干擾，在串行端口和RS-485總線的接口上也進行了光電隔離。另外，SN75LBC184具有瞬時過壓保護的功能，有效地防止了雷電等的瞬時高電壓損壞接口電路。在軟件上，采用了冗余指令、軟件陷阱等方法。在程序適當?shù)奈恢蒙霞尤隢OP指令的冗余指令法使跑飛的程序納入正常的軌道，在無條件跳轉(zhuǎn)指令后和空ROM區(qū)等處加入軟件陷阱的軟件陷阱法可捕捉跑飛的程序。系統(tǒng)運行的結果證明，我們所采取的措施不僅是必要的，而且是非常有效的。
上述系統(tǒng)成本低、使用維護方便，有利于自動控制系統(tǒng)在我國設施農(nóng)業(yè)的推廣普及。系統(tǒng)自投入運行以來，取得了良好的效果，完全能滿足設施農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的需要。
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參考文獻
1 李萍萍.我國溫室生產(chǎn)的現(xiàn)狀與亟待研究的技術問題探討.農(nóng)業(yè)機械學報，1996?鴉27(3)
2 王定成，方廷健.HQ-1型智能溫室多路數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng).“計算機農(nóng)業(yè)應用之二十一世紀”國際會議，2000.10