基于太陽(yáng)能供電的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含太陽(yáng)能供電和環(huán)境智能監(jiān)控兩模塊，利用太陽(yáng)能光伏組件陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)提供電能，并且采用了MPOT和自跟蹤的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的高效率利用。借助傳感器和微處理器實(shí)現(xiàn)環(huán)境智能監(jiān)控，所控制的因子有溫度、濕度、CO2濃度以及光照，使農(nóng)作物生長(zhǎng)在最為合適的環(huán)境中，提高農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：溫室；單片機(jī)；太陽(yáng)能光伏組件陣列；傳感器

0 引言
    為適應(yīng)市場(chǎng)的需求，目前溫室大棚在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用，其中以美國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家發(fā)展最為迅速，基本實(shí)現(xiàn)了環(huán)境智能監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。而在國(guó)內(nèi)，大部分溫室大棚未采用智能控制技術(shù)，且存在環(huán)境控制能力低、自動(dòng)化程度落后、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，這在很大程度上降低了溫室農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，因此，廣泛實(shí)現(xiàn)溫室的智能監(jiān)控很有必要。此外，維持溫室大棚的正常運(yùn)行需要提供充足的電能，而一般大型的溫室大棚位于離居民生活區(qū)較遠(yuǎn)的空曠地區(qū)，對(duì)電能的利用并非很方便，但是太陽(yáng)能資源豐富，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的利用成為一個(gè)值得思考與解決的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)思想
    要實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的利用，可以借助于太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，近年來(lái)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率與使用壽命都有了很大的提高，目前單晶硅的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30％左右。因此利用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)為溫室大棚供電成為了可能，為提高太陽(yáng)能利用率，可采用MPPT和光伏系統(tǒng)自跟蹤技術(shù)。影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)因子主要有：溫度、濕度、CO2濃度以及光照。實(shí)現(xiàn)對(duì)各生長(zhǎng)因子的智能控制，能很大程度地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。
    基于太陽(yáng)能供電的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 模塊化設(shè)計(jì)
2．1 太陽(yáng)能供電模塊
    該模塊主要包含MPPT的實(shí)現(xiàn)、蓄電池充放電監(jiān)控、自跟蹤系統(tǒng)以及電壓轉(zhuǎn)換4個(gè)部分。MPPT的實(shí)現(xiàn)和自跟蹤系統(tǒng)均是為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能更高效率的利用，蓄電池充放電監(jiān)控則是對(duì)蓄電池、太陽(yáng)能光伏組件陣列以及負(fù)載的保護(hù)，電壓轉(zhuǎn)換使得該系統(tǒng)可為各種交流和直流負(fù)載供電。太陽(yáng)能供電模塊框圖如圖2所示。

2．1．1 MPPT的實(shí)現(xiàn)
    MPPT即最大功率點(diǎn)跟蹤，是指控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)太陽(yáng)能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值，使太陽(yáng)能電池板以最高的效率對(duì)蓄電池充電。MPPT控制的原理實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自動(dòng)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的過(guò)程，通過(guò)功率的比較來(lái)改變占空比和脈寬調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而改變太陽(yáng)能電池板的工作負(fù)載，改變輸出功率點(diǎn)的位置，以達(dá)到最優(yōu)。實(shí)現(xiàn)MPPT通常需要斬波器來(lái)完成DC／DC轉(zhuǎn)換，斬波電路分為BUCK電路和BOOST電路。本文中利用BUCK變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT，通過(guò)調(diào)節(jié)BUCK變換器的PWM占空比輸出，使負(fù)載等效阻抗跟隨太陽(yáng)能光伏組件陣列的輸出阻抗，從而使光伏陣列在任何條件下均可獲得最大功率輸出。BUCK電路實(shí)際上是一種電流提升電路，主要用于驅(qū)動(dòng)電流接收型負(fù)載，直流變換通過(guò)電感完成，其電路圖如圖3所示。

    BUCK電路輸出與輸入滿(mǎn)足關(guān)系：
   
    故通過(guò)調(diào)節(jié)占空比即可調(diào)整輸出負(fù)載，從而可使太陽(yáng)能光伏組件陣列工作在最大功率點(diǎn)。占空比的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制Q基極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，可借助于單片機(jī)編程加以控制。
2．1．2 蓄電池充放電監(jiān)控電路
    蓄電池充放電監(jiān)控電路是為了防止蓄電池組過(guò)充、過(guò)放等現(xiàn)象，蓄電池組在整個(gè)系統(tǒng)中起到儲(chǔ)存與提供能量的作用，在硬件上可借助于單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其軟件程序流程圖如圖4所示。

2．1．3 自跟蹤系統(tǒng)
    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能更大限度的利用，要保證太陽(yáng)光每時(shí)每刻都垂直照射在太陽(yáng)能電池板上，即太陽(yáng)能電池板必須跟隨這太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。目前常用的自跟蹤方法有勻速控制方法、光強(qiáng)控制方法、時(shí)空控制方法。為了方便實(shí)現(xiàn)并達(dá)到較好的跟蹤效果，可以將勻速控制法與光強(qiáng)控制法相結(jié)合。并通過(guò)對(duì)實(shí)際光強(qiáng)與設(shè)定值的比較，分別采取緊跟蹤、疏跟蹤以及不跟蹤的措施。在硬件上可以通過(guò)單片機(jī)、太陽(yáng)光跟蹤傳感器、光強(qiáng)測(cè)定器等實(shí)現(xiàn)。
2．1．4 太陽(yáng)能應(yīng)用于溫室的前景
    目前使用太陽(yáng)能光伏陣列進(jìn)行供電需要占用一定的土地資源來(lái)安放太陽(yáng)能電池板，然而現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出了半透明太陽(yáng)能組件，此外透明太陽(yáng)能電池組件也在進(jìn)一步研究中，這使得將太陽(yáng)能電池安裝在溫室頂部成為了可能。而且太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率在不斷提升，因此太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的廣泛使用將成為必然趨勢(shì)。
2．2 智能監(jiān)控模塊
    智能監(jiān)控模塊的主要部分為傳感器模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器以及各因子的控制設(shè)備。
2．2．1 傳感器的選取
    測(cè)溫設(shè)備選擇SLST系列數(shù)字傳感器，它是采用美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的DS18B20數(shù)字化溫度傳感器，為不銹鋼外殼封裝，防水防潮，且具有高靈敏度和極小溫度延遲，現(xiàn)場(chǎng)溫度以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。其測(cè)溫范圍為-55～+125℃，溫度準(zhǔn)確度為±0．5℃，可直接將溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理。溫室內(nèi)濕度的測(cè)量采用JCJ100MH濕度變送器，其采用高精度濕敏電容進(jìn)行測(cè)量，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。其工作環(huán)境為-40～80℃，輸出電壓范圍為0～5 V，濕度測(cè)量范圍為0～100％，均滿(mǎn)足溫室測(cè)量的需求。土壤濕度的測(cè)量采用高精度土壤水分傳感器，它采用世界先進(jìn)技術(shù)的土壤濕度傳感器，精密、可靠、耐
用，可直接連接至數(shù)據(jù)采集器，可長(zhǎng)期埋設(shè)在地下任意深度，連續(xù)測(cè)量，其測(cè)量范圍為0～100％，工作電壓為7～15 V，輸出0～1．1 V的電壓信號(hào)，可經(jīng)適當(dāng)放大后供A／D轉(zhuǎn)換。光照度的測(cè)定可以采用KITOZER系統(tǒng)光照度變送器。該種變送器以對(duì)弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測(cè)器為傳感器，具有測(cè)量范圍寬、線(xiàn)性度好、防水性能好、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，其工作電壓為12～30 V，測(cè)量范圍為0～200 000 LUX，支持二線(xiàn)制4～20 mA電流輸出、三線(xiàn)制0～5 V電壓輸出、液晶顯示輸出以及RS 232，RS 485網(wǎng)絡(luò)輸出，適合在溫室大棚環(huán)境下使用。CO2濃度的測(cè)定可采用FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，它是一種固態(tài)電化學(xué)型CO2傳感器，具有體積小，壽命長(zhǎng)，選擇性和穩(wěn)定性好等特性。因?yàn)樗念A(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，故適合在室溫下長(zhǎng)時(shí)間通電連續(xù)工作。它的測(cè)量范圍為0～5 000 ppm，使用壽命2 000天，內(nèi)部含有熱敏電阻起補(bǔ)償作用。通過(guò)各傳感器獲得電信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)與所需要的設(shè)定值相比較，然后控制相應(yīng)的設(shè)備來(lái)對(duì)各因子進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2．2．2 各生長(zhǎng)因子的控制
    農(nóng)作物生長(zhǎng)因子主要是指溫度、濕度、CO2濃度以及光照。
    溫度  升溫設(shè)備可以采用熱水鍋爐、燃油鍋爐、太陽(yáng)能加熱器等，鑒于室外太陽(yáng)能資源充足，白天可采用太陽(yáng)能加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)光能向熱能的直接轉(zhuǎn)換，在太陽(yáng)不足時(shí)，采取電加熱器，由蓄電池組供電。降溫設(shè)備采用濕簾風(fēng)機(jī)，其中通風(fēng)設(shè)備采取強(qiáng)制通風(fēng)的方式，即利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)壓強(qiáng)制空氣流動(dòng)降溫，濕簾是利用水蒸發(fā)吸熱的原理來(lái)降溫，二者的結(jié)合作用能力強(qiáng)，效果穩(wěn)定。
    濕度  當(dāng)實(shí)際濕度低于所需要濕度時(shí)，可以通過(guò)控制安裝在大棚頂端的噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)噴霧來(lái)提高濕度，同時(shí)又不至于使得濕度過(guò)大。當(dāng)濕度過(guò)高，則可以通過(guò)通風(fēng)來(lái)降低，這是利用濕度差來(lái)進(jìn)行室內(nèi)外的空氣交換實(shí)現(xiàn)。
    CO2濃度  CO2的濃度直接影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，合適的CO2濃度可能達(dá)到40％～200％的增產(chǎn)。大氣中的CO2濃度僅為350 ppm，在溫室中需要提高CO2濃度，可利用CO2發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用化學(xué)反應(yīng)、燃煤、燃?xì)獾确绞絹?lái)產(chǎn)生CO2，當(dāng)CO2濃度過(guò)低時(shí)，即可通過(guò)控制CO2發(fā)生器的開(kāi)關(guān)來(lái)提高。當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)，通過(guò)打開(kāi)通風(fēng)機(jī)即可。
    光照  光照的控制設(shè)備為遮陽(yáng)設(shè)備和補(bǔ)光設(shè)備，當(dāng)光照過(guò)強(qiáng)時(shí)，可借助遮陽(yáng)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)光照過(guò)弱時(shí)，可利用補(bǔ)光燈來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且補(bǔ)光燈開(kāi)啟的數(shù)量受外界光照的影響，最終達(dá)到較為合適的光照強(qiáng)度。
2．2．3 A／D轉(zhuǎn)換
    A／D轉(zhuǎn)換采用TLC1549，將各傳感器所采集的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，對(duì)各因子加以控制。TLC1549為逐次比較型10位A／D變換器，其片內(nèi)自動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時(shí)間脈沖。轉(zhuǎn)換時(shí)間小于21μs。其具有固有的采樣保持電路，終端兼容TLC549，TLV549，采用CMOS工藝，有2個(gè)數(shù)字輸入和1個(gè)三態(tài)輸出，可和微處理器直接相連。
2．2．4 軟件實(shí)現(xiàn)
    該系統(tǒng)中所采用的單片機(jī)可以選擇51／52系列單片機(jī)，如AT89C51。通過(guò)單片機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備開(kāi)關(guān)的控制，其控制流程圖如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能資源的有效利用，采用MPPT和自跟蹤系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，且可以較好地智能控制農(nóng)作物各生長(zhǎng)因子，使得農(nóng)作物生長(zhǎng)在最為合適的環(huán)境中，大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。本文中所涉及的只是單間溫室的智能控制，然而可以通過(guò)通信接口RS 232與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)集散控制，這樣可以大大提高總體工作效率。