利用风力发电的新型智能温室

韩文轩　胡春华

摘 要

为了能够突破农业的生产条件限制使温室智能控制运用更加广泛，引入了微型风力发电、雨水收集模块；通过对温室物理量的利用，设计了以基于MC9S12XS128单片机温室控制系统方案，此系统设计控制稳定、经济、便利、适应性强适合推广。

【关键词】MC9S12XS128单片机 模块化 功能创新

1 引言

1.1 研究背景及意义

近年来，因为单片机被广泛应用于工业控制领域，有很多温室大棚均采用了单片机智能控制系统，然而方辉等单纯的依靠单片机的智能控制并不能有效解决现代农业生产中出现的些许问题并且依靠51单片机不如使用总线频率高且本身具有A/D功能的16位、32位单片机更为简便灵活。而何胜等针对户用小型风力发电系统的并网运行控制进行研究，可以更大范围的去应用，它可以推广到农业温室大棚生产中。目前，智能温室的研究已经趋近成熟，Hui Guo Lu等实现了成熟的温室大棚智能控制。然而能够与生产环境紧密结合且适应力强的的智能温室发展尚不明显。鉴于上述分析，现代温室功能延伸方面存在很大提升空间，为此设计一种基于MC9S12XS128单片机的温室大棚控制系统，在实现温室大棚的智能控制的同时，也包含一些新的农业生产设计理念。

1.2 研究现状分析

世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。 我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，90年代中后期，江苏理工大学毛罕平等人研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、CO2 、施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。本文基于自动控制理论，设计了相应的MC9S12XS128单片机智能控制和与实际农业结合性强的温室系统。

2 系统简介

2.1 系统总体框架

该智能温室是由风力发电模块、温室信息采集及控制系统、单片机处理模块、雨水收集模块组成。

2.2 功能简介

改智能温室配有风力发电模块，能够给整个系统输送可用的电力；单片机处理模块能够将传感器传回的数据进行有效处理，然后根据设定好的数据对温度、湿度、光照强度做出相应的调整，以此实现温室的智能调控。温室配备有水槽，连接水泵及滴灌管线。温室设计控制显示屏来显示实时的温度、光强、湿度数据，并且在单片机处理模块设计拨码开关用来更换系统控制程序。

2.3 实现原理

2.3.1 温室风力发电模块

该模块主要由发电、变电两部分组成。风力发电原理主要是依靠空氣的流动，来推动风力发电机的叶片旋转并带动发电机转子转动而产生电力，是一种将风能转换成机械能，再将机械能转化成电能的过程。

变电是电气工程中的技术，我们利用专业优势进行变电试验，选择了开关电源、铅酸蓄电池、继电器、微型直流发电机作为主要元器件。试验主要验证温室接受风电的可能性，关键是实现DC/AC转换保正电力的稳定，模拟缩小版的温室风力发电设施。最后的实验结论是：模拟发电过程得到可靠的稳定裕度，仅用开关电源即可以满足对220V市电压的转换。因此选用风电可操作且稳定。

2.3.2 温室信息采集及控制系统

首先该系统包含“农作物正常生长预警指示系统”、“滴灌控制系统”、“光合/草帘控制系统”、“温度控制系统”四个子系统。四个子系统的控制原理相同，均采用负反馈控制。本文的智能控制系统创新之处在于可以对温室生产条件设定，使系统人机友好。

这些系统共同点为：都是由传感器采集温室内的模拟信号，再由单片机采集并处理，经过继电器控制各功能单元运行。实现的功能包括：控制水泵、控制换气扇、控制草帘拖动直流电机、控制液晶显示屏、控制蜂鸣器LED警示灯。传感器选用光照强度传感器、土壤湿度传感器、温度传感器。传感器一般选用结构简单实用性强、灵敏度高的。

特别需要注重的是直流电机的电机驱动问题。电机驱动方法通常是用PWM占空比驱动，在温室系统中难免遇到电机的负载较大的问题，这就要求系统能够保证元器件工作稳定。我们通过实验发现在直流电机驱动的时候加上个续流二极管可以很好的起到保护元器件的作用。

2.3.3 MC9S12XS128单片机智能功能原理

MC9S12XS128单片机是Freescale 公司的HCS12X系列16位单片机。由16位中央处理单元、128KB程序Flash）、8KB RAM、8KB数据Flash组成片内存储器。MC9S12XS128单片机中有些特殊功能可定义为多个引脚，如PWM、SCI1模块。

采用MC9S12XS128单片机智能控制首先进行A/D采集，采集温室内各物理量在进行程序运算乃至控制整个温室大棚各机电设备的运转。例如本文温室内“农作物正常生长预警指示系统”，它的原理是根据具体农业生产标准制定三个范围：a（温室内标准温度范围）、b（温室内标准光照强度范围）、c（温室内标准土壤湿度范围）相加得到一个农业生产综合值，这个值落到农业综合生产标准值域内，那么农作物正常生长指示灯亮。

需要注意的是为了进一步的保证系统的稳定性，在单片机编程中还可采用PID控制思想以克服外界对系统采样时的扰动，可以设定目标，定义比例常数、积分常数、微分常数等。PID控制这种方法适合控制系统中，当前在工业生产中应用较为普遍。

3 智能温室未来发展趋势

国内外很多温室大棚均采用了物联网技术，实现温室集约化、网络化远程管理。物联网技术可以将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，可以测量基质湿度、成分、pH值、温度、空气湿度、气压、光照强度、二氧化碳浓度等，再通过模型分析，自动调控温室环境、控制灌溉和施肥作业，从而获得植物生长的最佳条件。未来，随着中国经济水平不断提高，在物联网技术的支持下现代智能温室会在农业领域得到广泛应用。

4 分析与结论

针对温室大棚控制，本系统中融入风力发电模块为该系统提供电力，设计雨水收集装置进行蓄水。系统有效结合传感器技术和单片机处理技术，能够对光照强度、温室内部温度以及土壤湿度进行检测，并实现对各物理量的闭环控制。硬件设计过程中采用模块化设计、PID控制思想，提高了系统的稳定裕度。本系统所用器件性能稳定、廉价，成本较低，性价比较高。

作者单位

滨州学院电气工程系 山东省滨州市 256603