基于ZigBee的溫室大棚卷簾機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

溫室大棚為人們在各個(gè)季節(jié)提供了豐富、新鮮的食材,提高了人們的生活水平。溫室大棚通過人為控制植物生長環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù),促進(jìn)植物生長。目前保溫被操作主要由人工或簡易的卷簾機(jī)實(shí)現(xiàn),其中簡易卷簾機(jī)在作業(yè)過程中容易發(fā)生因過載而導(dǎo)致電機(jī)燒壞、保溫被撕爛等情況,造成不必要的損失,且農(nóng)田間大量大棚需要逐個(gè)操作,非常耗時(shí)耗力。針對以上問題,本文設(shè)計(jì)了一種智能溫室大棚卷簾機(jī)智能控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)簡介

溫室大棚卷簾機(jī)智能控制系統(tǒng)主要由卷簾機(jī)機(jī)械本體、控制器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。其中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)溫室大棚遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測與控制功能:控制器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與機(jī)械本體的連接,采集傳感器信息,完成控制指令操作功能。

普通溫室大棚側(cè)卷式卷簾機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,該系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、卷軸、支撐桿等構(gòu)成。其中卷軸通過RV減速器與電動(dòng)機(jī)連接,RV減速器相比其他類型減速器具有傳動(dòng)比大、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),并具有自鎖功能,防止在斷電或意外停機(jī)的情況下卷軸與保溫被在重力作用下向下滑動(dòng)發(fā)生意外事故。支撐桿1與支撐桿2主要由普通鋼管構(gòu)成,支撐桿1一端較接于地面,形成轉(zhuǎn)動(dòng)副,另一端插入支撐桿2構(gòu)成移動(dòng)副。

保溫被一端固定于大棚底端,另一端固定于卷軸上。其中電動(dòng)機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī),額定功率1.1kw,轉(zhuǎn)速930r/min。電機(jī)正轉(zhuǎn),保溫被上卷,實(shí)現(xiàn)保溫被卷起作業(yè):反之,電機(jī)反轉(zhuǎn),保溫被在重力及電機(jī)驅(qū)動(dòng)力共同作用下,向下滾動(dòng),實(shí)現(xiàn)保溫被鋪開作業(yè)。

當(dāng)保溫被受潮或結(jié)冰時(shí),其重量會(huì)明顯增加,因此在上拉保溫被時(shí)可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過載,長時(shí)間過載可能導(dǎo)致電機(jī)溫度升高而燒毀,減速器損毀或保溫被撕爛,為了防止這種情況的發(fā)生,本設(shè)計(jì)在電機(jī)上安裝溫度傳感器,當(dāng)電機(jī)過載時(shí)產(chǎn)生的熱量明顯增加,電機(jī)溫度升高,程序自動(dòng)進(jìn)入停機(jī)保護(hù)狀態(tài)。

圖1溫室大棚結(jié)構(gòu)示意

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)功能

卷簾機(jī)控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)與大棚端控制器組成,其中控制器主要功能有:

(1）傳感器信息采集與上傳功能:控制器采集電動(dòng)機(jī)溫度、溫室大棚外溫度與光照,溫室大棚內(nèi)濕度與溫度,限位開關(guān)狀態(tài)等傳感器數(shù)據(jù),并且將其上傳至上位機(jī),供上位機(jī)程序控制使用。

(2）保護(hù)功能:當(dāng)電動(dòng)機(jī)溫度超過設(shè)定值或限位開關(guān)動(dòng)作時(shí),自動(dòng)停機(jī)以保護(hù)設(shè)備:

(3）手動(dòng)控制功能:解決某些特定環(huán)境(如維護(hù)、特殊天氣狀況下）智能控制系統(tǒng)無法正確控制的問題。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要為操作人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺,并實(shí)時(shí)接收每個(gè)溫室大棚控制器發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù),并依據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化控制。

2.2控制器電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,硬件電路必須具有傳感器數(shù)據(jù)采集處理、通信、電機(jī)控制等功能。本文選擇ZigBee通信方式,其作為常用的一種短距離無線通信方式,相對于wi-Fi和藍(lán)牙,具有傳輸距離較長、網(wǎng)絡(luò)容量高、自組網(wǎng)、功耗低、成本低、低速率等特點(diǎn),可以滿足系統(tǒng)控制的需要[3]。本文基于CC2530芯片實(shí)現(xiàn)ZigBee通信。

溫濕度傳感器采用單總線通信的DHT11:光照傳感器使用GL5539光敏三極管:溫度傳感器采用Ds18B20溫度傳感器,測量范圍為-55～125℃,采用單總線接口方式,信號不需要A/D轉(zhuǎn)換而直接輸出數(shù)字信號,減少了電路設(shè)計(jì)難度,并節(jié)約控制器I/0接口資源,提高抗干擾能力,被大量應(yīng)用于各類常溫測溫系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1控制器軟件設(shè)計(jì)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)備從功能上可分為3種節(jié)點(diǎn):協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)信息的匯聚點(diǎn),是網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)組建、維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò),并通過串口實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞,本文與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連的控制器設(shè)置為協(xié)調(diào)器。路由器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)資料包,進(jìn)行數(shù)據(jù)的路由路徑尋找和路由維護(hù),允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并輔助其子節(jié)點(diǎn)通信,因此將其他控制器設(shè)置為路由器節(jié)點(diǎn)。

本文使用ZigBee通信傳遞數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)幀由起始位、長度、MAC地址、棚外溫度、棚內(nèi)溫度、棚內(nèi)溫度、棚外光照度、電機(jī)溫度、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、CRC校驗(yàn)等部分構(gòu)成,共14字節(jié)。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述要求,使用VS2010的MsC設(shè)計(jì)控制軟件,其具有如下功能:

(1）根據(jù)實(shí)際情況,可手動(dòng)或自動(dòng)添加大棚信息:(2）使用圖形化方式動(dòng)態(tài)顯示每個(gè)大棚的運(yùn)行狀態(tài),如大棚內(nèi)外溫度、濕度、光照度、電機(jī)溫度、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)位置等,直觀易理解:(F）溫室大棚卷簾機(jī)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制或自動(dòng)控制功能。

上位機(jī)監(jiān)控軟件運(yùn)行主界面如圖3所示。

4結(jié)語

本文通過設(shè)計(jì)控制器電路及控制軟件,上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了對溫室大棚溫度、濕度、卷簾機(jī)工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集以及卷簾機(jī)的遠(yuǎn)程控制,提高了工作人員的工作效率,同時(shí)為溫室大棚接入智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。