基于太阳能技术的智能温室控制系统的设计

王洪东，陈 超，吕晓雪，孙立峰

（1.新疆生产建设兵团阿拉尔棉花检验测试中心，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆生产建设兵团阿拉尔纤维检验所，新疆 阿拉尔 843300；3.塔里木大学机械工程学院，新疆 阿拉尔 43300）

1 设计依据及总体设计思路

南疆地区自然气候环境恶劣，蔬菜等农产品紧缺，发展智能温室能加速农产品的生产，解决南疆蔬菜紧缺的问题，智能温度也是农业设施发展的方向。目前，南疆的农业设施主要以塑料大棚为主，智能温室应用较少。从南疆农业设施的应用情况来看，塑料大棚的控制精度较低，农作物的产出量较低；农业设施内部的作业还大多依靠人力操作，温棚的人工作业量较大，温棚的自动化控制程度较低。南疆日照条件充足，昼夜温差大，年日照时间在4000小时以上，具有优质的太阳能发电条件，利用太阳能对温室进行供电，可解决南疆偏远地区供电网络较少的问题。

太阳能电池板一般选用晶体硅电池，对于新型的薄膜太阳能电池使用较少，薄膜太阳能电池具有结构轻巧，形式变化多样，适用于温室顶部的安排与设计。根据南疆的气候特点与温室结构，利用薄膜太阳能电池板材料，将温室的日光照射面安装薄膜太阳能电池板，通过与薄膜太阳能光伏发电装置的连接，形成一套薄膜太阳能光伏发电系统。利用发电系统可用来解决温室能源的动力供给。总体的设计框图如图1所示。

图1 太阳能供电系统的温室总体设计框图

薄膜太阳能电池板适合各种弯曲面形状，将薄膜太阳能电池板安装在温顶层，用来吸收太阳能源，太阳能源转化为电能后，通过充电电路对太阳能畜电池组进行充电，控制电路用来总体控制太阳能的充电与放电过程，检测畜电池组的电量大小等。放电电路与温室供电系统连接，用来提供温室温度、湿度控制系统的电能。

2 太阳能发电系统设计

（1）太阳能电池板的选择。智能温室的主要负载为加热系统与湿度控制系统，按南疆地区温室控制标准，温室面积在50m2，每平方米需使用电加热器功率为20W，则加热系统功率为1kW。湿度控制主要为仪表设备，功率较小，整个智能温室的功率按4kW计算，有效使用时间为12小时，则太阳能发电系统的输出功率为4kW。由太阳能发电系统的输出功率，可进行薄膜电池面积计算：

式中，A为薄膜电池的有效使用面积；P为太阳能发电系统的输出功率；S为太阳能幅射强度（南疆地区平均为3.94kW/m2）；θ为太阳能在薄膜电池上的作用角度（取值为90度）；η为薄膜电池阵列的效率（汉能薄膜电池转化效率为13%）；F为太阳能系统综合效率（取值0.92）。本设计中采用汉能薄膜PIN型三结非晶硅锗叠层电池，通过计算可得薄膜电池总使用面积为26m2。

（2）畜电池组的设计。根据温室工作条件，工作电压为220V，蓄电池放电电流为12A，则蓄电池容量Q为：

式中，T为工作时间（h）；UL为负载工作电压（V）。则蓄电池容量计算为255A·h。

（3）逆变器的选择。薄膜太阳能电池的转换效率较低，逆变器的作用是将蓄电池组的电量通过逆变成可供用户直接使用的交流电源，逆变器是提高太阳能发电装置输出功率的关键。综合蓄电池组的供电能力，选用华为生产的SUN1000-8 TL型的逆变器，其额定功率为4.8kW，带有欠压与过压保护，同时带有自动跟踪MPPT（最大功率点）的功能，能满足温室系统的需要。

3 智能温室控制系统设计

智能温室的控制包括对温室内部的温湿度控制，以保证温室内部植物生长在最佳的生长环境。南疆温室的温度控制范围一般为20℃~28℃，湿度范围为50%~60%，控制精度为±2℃。根据设计要求，同时考虑对太阳能系统的供电控制，选用ATMEL公司生产的AT89S52单片机，在性能上，AT89S52单片机是一种具的低功耗、高性能、功能多等特点的CMOS8位单片机，完全满足智能温室控制系统的要求。单片机硬件系统的核心元件设计如图2所示。图2中，AT89S52单片机的P0.0-P0.7口作为温湿度信号采集端口，与采集模块ADC0809N连接，温湿度传感器通过采集模块向单片机传输实时信号。P1.0-P1.7口作为温湿度信号的显示端口，P2.0-P2.7口作为温室各类设备的控制端口，主要控制加热器、风机、湿度控制器等设备。智能温室的控制设计中，温度与湿度信号的检测精度与温室温湿度的准确控制密切相关，结合单片机系统，选择美国DFrobot公司生产的DHT11型温湿度传感器。DHT11芯片自带A/D转换模块，输出管脚为4，其中1脚接电源VCC，2脚接上拉电阻，3脚与4脚为信号输出管脚。DHT11接入电源范围为DC3-5.5V，湿度测量值范围在20%~100%RH之间，测量精度为±5%RH；温度测量范围为0~50℃，测量精度为±2℃。

图2 智能温室单片机控制系统核心元件图

4 系统软件设计

系统的软件设计包括对温室内部各控制参数的处理、外部信号的显示与处理以及太阳能发电装置的充电控制。软件采用Keil CV7.06软件进行程序的编制，编制完成后利用Proteus7.11仿真器进行仿真分析，从而得到最优的软件系统。软件设计中，温室内部的温湿度控制是设计的重点内容，其程序流程图如图3所示。当系统开机后，单片机对程序进行初始化，查询P0.0-P0.7的接收状态，接收到安装在温室内部的各个温湿度传感器实际值。对实际值进行读取后，进行A/D转换，同时导入温湿度控制的目标值，采用PID算法，对实际值与目标值之间进行不断比较，输出最终的控制信号，直至温室内部参数在目标值的控制范围内变化。同时，软件系统还设计有温室度实时显示与报警、太阳能充电状态显示、加热器与湿度控制器的PID调节等功能。

图3 程序流程图

5 结语

通过应用太阳能发电技术，对南疆温室进行了智能化设计，结合试验，验证了设计的可行性。

（1）薄膜太阳能发电装置适合作为农业设施的供电电源，设计时应充分考虑发电量与电能利用效率，通过试验表明，在发电时间段内，发电量变化均匀，通过稳压等电路处理，逆变后的电流波形稳定，能满足温室系统的使用。

（2）温室的控制主要以温度与湿度控制为主，通过试验，结果表明单片机控制的温湿度系统对参数的控制稳定，温室的温度能稳定在25℃~28℃之间，湿度值保持在50%~60%之间，满足作物的生长条件。

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