基于单片机的葡萄大棚控制系统设计.doc

1.引言 1.1研究背景及发展现状 江浙地区作为沿海的发达经济区，我国的许多现代化建设，一直是在江浙地区率先进 行，并且取得了一些成就。农业是江浙地区的支柱产业，古语就有"江南富，天下足"的 美誉，而随着农业现代化要求的不断提高，电子科学技术在其间也开始产生着重大的作 用。 以浙江为例，由于气候和土壤条件适宜，浙江的农业一直十分发达，并且，由于产业 布局合理，浙江的农业特色产业飞速发展[1]。到今天，在浙江以各种"特产之乡"命名的 乡镇已经达到一百二十余个，不仅是当地的产业支柱之一，乃至在发展休闲观光农业方 面，也走在了全国的前列。 在浙江地区，葡萄是常见的经济植物，它的种植面积大，且范围覆盖全省。葡萄的质 量与它的生长发育需要有一定的环境条件，这些环境条件主要有温度、水分、光照、空 气成分、土壤成分、物理机械性质、营养液的温度和成分等，其中最为重要的影响因素 是空气温度和土壤湿度，这两项因素贯穿影响着整个葡萄的生长环节。每年的8- 10月份，是天然种植葡萄的成熟季节，此段时间内葡萄多到泛滥，导致价格很低，很多 种植者都只能保本，很少盈利；而在反季节，葡萄很少，人们想买，却供不应求，价格 也是相当的高，相比平时可以翻好几倍。这现象和葡萄挑剔的生长条件和不易控制的环 境是有一定联系的。如何能有效及时的控制好温度和土壤湿度问题已经成为蔬果种植者 们最为关心的问题，而大棚种植也成为解决这一问题的首选的方式。 . 大棚发展现状 目前，大棚在我国的应用相当广泛，甚至是占主导地位的。我国大多数温室大棚[1] 采用塑料薄膜为覆盖材料。这不仅因为它质量轻，透光保温性好，可大面积覆盖，可塑 性强，而且价格低廉。又因为它可以使用轻便的材料作大棚骨架，容易建造和造形，可 就地取材，建筑投资少，经济效益也高，还能抵抗自然灾害，防寒保温，现在在我国北 方旱区发展也很快。无论是玻璃或者是塑料的大棚，其最简单的基本原理，就是通过保 留阳光照射的温度，在不同的季节保证植物的生长环境，使其具有适合生长的环境，可 以营造一个天然的保温房和保湿器。 但其实在本质上，传统的大棚环境依然与自然环境是密切联系的，没有完全摆脱自然 的环境因素；大棚内的环境控制，更多的依靠种植者的农业经验而不是科学依据，在管 理上，依靠人工管理，依然是占绝大部分的，人工管理更多依靠的是经验，而不是科学 ，虽然经验在一定程度上可以较好的完成管理，但其具有的弊端也是明显的，比如，可 能某个经验在传授的时候就是有错误的，那可能导致不良的后果，我国各个地方的大棚 都存在着不同程度的因人工控制的失误造成的水果和经济效益上的损失，而发现与改进 这些错误，需要种植周期与实践摸索，对于很多依靠农业种植为生的产业者，他们没有 时间去摸索，更不会专门辟出一部分土地和大棚作为改进品质的实验基地，因此，葡萄 生长虽然摆脱了季节的限制，但对提高品质方面，依然是有很多值得改进和开发的地方 的。目前飞速发展的现代电子科学技术，完全可以应用于农业的现代化生产[2]。可以采 用数据采集技术、通信技术、控制技术来实现大棚的运作，实现对温湿度的测量、信息 的传输和环境的控制。因此，依据作物生长规律而研发的控制系统，是可以使他们直接 受益的。 . 大棚智能控制系统 作为最普遍的温室环境，在对大棚进行智能化控制[6]是现代农业发展的趋势，它以 建立植物生长的数学模型为理论依据，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过 专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最 佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机 构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。目前，在世界范围内有多种的智能技术 ，比如，基于单片机的智能温室控制系统，基于PLC的智能温室控制系统，基于PC的模糊 控制系统，以及物联网智能控制系统。 单片机[7]是典型的嵌入式微控制器，它是由运算器，控制器，存储器，输入输出设 备构成，相当于一个微型的计算机的最小系统，而大量的外围设备通过需要连接，早期 在工业领域广泛得到应用，而现在，已经发展到深入人们生活的方方面面，采用单片机 作为核心的智能控制系统，其优势在于体积小，质量轻，适合在各种环境下运行，原理 方便，适合大众化的人群使用，并且，价格低廉。 PLC[8]是可编程逻辑控制器的缩写，PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严 格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机 外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开 关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我 检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。 基于PC的模糊控制系统，指的是不再需要对被控制的 是不再需要对被控制的对象进行复杂的数学模型建模，而是基于模糊逻辑的规则库来进行控制。模糊控制系统能够处理不确定性信息，对于环境因素的细微变化有较好的适应性，尤其适合处理那些难以精确描述的复杂系统。 在葡萄大棚的智能控制系统中，单片机扮演着关键角色。它能够实时采集大棚内的环境数据，如温度、湿度、光照强度等，并通过传感器网络进行监控。这些传感器会将数据传送到单片机，单片机会根据预设的阈值或特定的植物生长模型，决定是否需要调节大棚环境。例如，当温度过高时，单片机可以触发通风设备开启；当土壤湿度低于设定值，它会启动灌溉系统。此外，单片机还可以通过无线通信模块与远程服务器或者农民的移动设备连接，提供实时的环境数据和预警信息，使得种植者能够在任何地方远程监控和调整大棚环境。 PLC（可编程逻辑控制器）在农业自动化中的应用同样广泛，尤其是在大型或复杂的温室设施中。PLC 具备更强的计算能力和扩展性，能够处理更多的输入/输出信号，支持复杂的控制逻辑和算法。在葡萄大棚中，PLC 可能用于驱动大型设备，如自动卷膜机、喷灌系统等，并能实现多区域的独立控制，提高整体环境的精准度和效率。 模糊控制系统则是基于人的经验和直观判断，通过模糊逻辑来模拟人类决策过程。在大棚环境中，模糊逻辑可以根据当前环境状态和作物生长知识，动态调整控制策略，避免过度依赖精确的数学模型，降低了系统的复杂性和对精确数据的依赖。 物联网技术的引入，如传感器网络、云计算平台，进一步提升了大棚控制系统的智能化水平。物联网设备可以实时收集大量数据，通过大数据分析和机器学习，优化控制策略，预测和预防可能出现的问题，从而提高葡萄的产量和品质。 基于单片机的葡萄大棚控制系统结合了现代电子科技、数据采集、通信技术和控制理论，实现了大棚环境的自动化、智能化管理，降低了人工成本，提高了种植效益。这种系统不仅可以改善葡萄的生长条件，还能够为其他农作物的种植提供借鉴，推动农业的现代化进程。随着技术的不断发展，未来的葡萄大棚控制系统将会更加智能化、精细化，为农业生产带来更大的变革。