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高级传感器技术课程答辩
题 目
温室环境参数实时检测系统
班 级
电子信息
姓 名
学 号
指导教师 古丽米拉、王磊、张婧婧
答辩时间 2021 年 6 月 25 日
1. 项目研究背景
1.1 研究意义
近年来,随着农业生产技术水平的不断提高,温室大棚得到了广泛的推广应
用
[
1
]
,农业逐渐步入现代化
[
2
]
。物联网互联网技术的发展使得农业大棚也朝智能
化不断改进,物联网在农业生产环节适用较广,依据物联网的农业提升方案,通
过实时采集并分析处理现场数据, 实现提高农业生产效率、增加收益、减少损
耗的目的。以 STM32 作为主控单位
[
3
]
,将传感器、物联网技术以及移动通信与
农业种植相结合,实现对农业大棚环境数据采集以及上传显示,大大降低工作负
担,实现种植逐渐向工业化、模块化和多样化方向发展。
1.2 国内外研究现状
20 世纪 70 年代末,国外计算机温室环境模糊控制系统有较早的研究,首先
东京大学采用单因子模糊控制的方式,成功研制出微型的计算机专用温室环境模
糊控制系统,但其系统控制效果不佳
[4-6]
。
随着人工智能计算机科学信息技术的进步和发展,以色列也推出了通过人工
智能计算机自动调控温室内部环境参数的一种现代化微型温室;80 年代初,微型
温室计算机智能控制技术也逐渐发展起来,欧美也推出了以微型温室计算为技术
核心的微型温室内部环境智能计算机控制环境管理系统
[7]
。
目前,国外对温室内部环境智能控制系统技术趋于智能化和成熟化。我国温
室的发展与国外发达国家相比,仍有一些差距,温室环境调控依赖经验、监测环
境参数较少和通讯方式落后等一系列问题亟需解决。
江苏理工大学在工业控制计算机的技术的基础上,搭建了一套可综合调控的
温室内四种主要智能环境参数的智能控制环境管理系统
[8]
。2017 年,张瑞雪
[9]
对
温室智能控制技术进行归纳,提出了将常规 PID 控制和模糊控制复合起来的模糊
PID 控制技术,并设计了不同的改进型模糊 PID 控制器进行了分析对比,结果证
明模糊 PID 控制较传统控制方法具有明显的优势。2018 年,邢希君
[10]
基于多变
量控制方法设计了一套结合 ZigBee 无线通信技术、计算机智能控制技术和物联
网技术的温室智能控制系统。就目前我国温室的发展现状来看,温室的发展己经
到了一个智能先进和自动化控制的关键时期,但是国内的温室多变量控制系统还
有一些性能和技术上的不足与缺陷,而且成本较高,很难被广泛应用到实际温室
中。因此,国内还需要加大在温室多变量控制方面的研究力度。
2、项目方案论证
温室大棚存在很多的环境因子,环境因子之间相互影响,具有较大的耦合性,
对于温室大棚来说,空气湿度、CO2、光照等环境因子都比较重要,温室大棚的
智能控制就是对环境因子的调控,以达到最适宜作物的生长。
2.1 温度因子实时数据采集
温度是决定作物生长质量的关键因素。温度对作物的生长、发育的各个时期
影响都特别大,在适宜温度范围内,当温度升高时,作物的光合作用和蒸腾作用
会加强,相关的生理活动增大,有利于作物的新陈代谢,促进作物的生长发育。
在极限温度范围之外,过高的温度会促进作物的蒸腾作用,作物体内的水分快速
流失,最终造成作物枯萎直至死亡,过低的温度会降低作物的光合作用,影响作
物的生长活性,最终会造成作物冻伤死亡。因此为了促进作物正常生长,应该将
温度控制在其生长的适宜温度范围内,但不能超出极限温度范围。项目采用
DS18B20 对温度因子进行实时数据采集。
DS18B20 传感器的温度测试范围为-55℃-125℃,满足了项目需求,它的适
应电压范围是 3.0V~5.5V。DS18B20 是美信公司的一款温度传感器,单片机可
以通过 1-Wire 协议与 DS18B20 进行通信,最终将温度读出。1-Wire 总线的硬
件接口很简单,只需要把 DS18B20 的数据引脚和单片机的一个 IO 口接上就可
以了。硬件的简单,随之而来的,就是软件时序的复杂,所以需要添加 DS18B20
温度传感器软件包以便开发。
2.2 光照因子实时数据采集
光照在影响作物的生长当中,主要包括光照强度和光照时间。充足的光照可
以为作物的光合作用提供足够的能量,促进作物的生长。当光照时间较短或者光
照强度较小,会影响到作物的光合作用,造成不能有效的累计能量,作物生长缓
慢。当光照的强度大或者光照时间长,则容易对作物造成灼伤甚至死亡。项目利
用光敏电阻器来实时采集光照数据。
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