基于AVR的西瓜生產(chǎn)溫室防災(zāi)控制系統(tǒng)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

溫室是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長(zhǎng)的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，防治病蟲(chóng)害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)工程因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，己越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。這也為我國(guó)大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。本項(xiàng)目以AVR芯片為控制芯片，設(shè)計(jì)了一套適用于當(dāng)前西瓜生產(chǎn)的溫室防災(zāi)控制系統(tǒng)。

1.2 項(xiàng)目背景

中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，“三農(nóng)”問(wèn)題關(guān)系到國(guó)民素質(zhì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，關(guān)系到社會(huì)穩(wěn)定、國(guó)家富強(qiáng)、民族復(fù)興。“十二五”發(fā)展規(guī)劃中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是的重中之重，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)靠天吃飯的局面仍未根本改變。農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件還比較差，抗御自然災(zāi)害能力較弱。近年來(lái)，我國(guó)每年因氣象災(zāi)害損失糧食1000億斤左右。自然災(zāi)害呈加重態(tài)勢(shì)，糧食生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大。從而使如何減少氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響變得尤為重要。

溫室是現(xiàn)代西瓜生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，其硬件投資大，內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定。為西瓜提供一個(gè)更適宜其生長(zhǎng)的封閉的、良好的生存環(huán)境，以提早成熟，最終將會(huì)給我們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但隨著地球氣候的多變性，最近幾年各地氣候變化無(wú)常，農(nóng)村農(nóng)作物受災(zāi)嚴(yán)重，今年江蘇蘇北地區(qū)西瓜生產(chǎn)因干旱影響很多西瓜枯死。華東、華南沿海地區(qū)的氣候特點(diǎn)是高溫高濕、臺(tái)風(fēng)頻繁,所以,這些地區(qū)的溫室大棚必須以降溫、降濕,特別是要以能防御風(fēng)災(zāi)為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),其配套的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)也要以此為目標(biāo)進(jìn)行研制。2010年2月28日16時(shí)～3月1日3時(shí)，山東壽光遭遇了20年來(lái)的最大的降雪，降雪量達(dá)到25.6mm，地面積雪逾20 cm，約有30%的蔬菜日光溫室發(fā)生變形，5%左右倒塌，使壽光及周邊地區(qū)日光溫室蔬菜生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。

本項(xiàng)目在了解了風(fēng)暴和降雪的識(shí)別模式后,計(jì)劃用ATmega16設(shè)計(jì)一套自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)災(zāi)雪災(zāi)自動(dòng)測(cè)控和防御。

二、需求分析

2.1 功能要求

溫室環(huán)境的檢測(cè)及控制通過(guò)AVR單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。據(jù)有關(guān)資料表明,風(fēng)壓的大小在很大程度上取決于風(fēng)速,一般7級(jí)(風(fēng)速為13.9~17.1 m/s)大風(fēng)吹到物體表面,能產(chǎn)生225.4 N/m2的壓力,所以,7級(jí)以上的風(fēng)將對(duì)大棚產(chǎn)生很大的摧毀力,因此風(fēng)災(zāi)防御的關(guān)鍵是識(shí)別7級(jí)以上的風(fēng)。為了說(shuō)明方便,本方案把7級(jí)以上的風(fēng)稱為風(fēng)暴。

華東沿海地區(qū)，近幾年都有不同程度的降雪，由于降雪時(shí)溫度較高，日光溫室前屋面積雪的底部先開(kāi)始融化，引起上部積雪下滑，積聚在前半部的積雪厚度達(dá)50 cm以上，突然增加的荷載造成了日光溫室前部發(fā)生變形和倒塌。未能及時(shí)清除積雪的日光溫室變形和倒塌較多，也有部分日光溫室是在清除積雪過(guò)程中發(fā)生了變形和倒塌。原因是在清除下半部分積雪過(guò)程中，上半部分積雪沿防雨膜下滑，使積雪積聚于前部產(chǎn)生了較大的壓力。最終會(huì)導(dǎo)致溫室的坍塌。本項(xiàng)目只對(duì)雪災(zāi)報(bào)警，以減小雪災(zāi)危害。

1、風(fēng)暴的識(shí)別與防御

(1) 風(fēng)暴的特征分析

風(fēng)暴的風(fēng)力變化非常復(fù)雜,風(fēng)暴經(jīng)過(guò)時(shí),強(qiáng)風(fēng)、弱風(fēng)交替發(fā)生,持續(xù)不斷,如果根據(jù)風(fēng)力大小來(lái)控制開(kāi)關(guān)窗,將造成風(fēng)暴期間不停地開(kāi)、關(guān)窗;風(fēng)暴解除過(guò)程中,強(qiáng)風(fēng)、弱風(fēng)也是交替發(fā)生,風(fēng)力逐漸減小,風(fēng)暴發(fā)生與解除的界限模糊而交叉。因此,只根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)速來(lái)控制開(kāi)、關(guān)窗將達(dá)不到控制要求,必須準(zhǔn)確而又迅速地識(shí)別風(fēng)暴的來(lái)臨與解除。

(2) AVR單片機(jī)利用風(fēng)速傳感器識(shí)別風(fēng)暴

使用多個(gè)傳感器,輸出層將輸出各類風(fēng)的識(shí)別結(jié)果。將一段時(shí)間內(nèi)采集到的n個(gè)風(fēng)速值作為輸入值,單片機(jī)內(nèi)部將輸出識(shí)別結(jié)果,將根據(jù)風(fēng)速大小分別設(shè)“風(fēng)暴,7級(jí)以上的風(fēng)”, “風(fēng)暴解除,為4及以下的風(fēng)”, “5、6級(jí)風(fēng)”。并根據(jù)識(shí)別結(jié)果給出不同警告和操作。

(3) 風(fēng)災(zāi)的自動(dòng)防御

風(fēng)災(zāi)自動(dòng)防御基本模式是:當(dāng)風(fēng)暴自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)檢測(cè)到風(fēng)速大于等于13.9 m/s時(shí),就發(fā)出關(guān)窗指令,然后,系統(tǒng)再調(diào)用風(fēng)暴識(shí)別模式,辨別是否是風(fēng)暴,如果不是風(fēng)暴,就恢復(fù)正常的控制模式;如果是風(fēng)暴就保持關(guān)窗狀態(tài)。風(fēng)暴發(fā)生期間,就一直檢測(cè)“風(fēng)暴是否解除”,當(dāng)風(fēng)暴解除了即恢復(fù)正常的控制模式。

2、雪災(zāi)的識(shí)別與防御。

雪災(zāi)往往由于大雪下的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)大，積雪的壓力導(dǎo)致溫室坍塌，所以及時(shí)清除或加固溫室可以起到很大作用，目前農(nóng)村遇到大雪時(shí)，工作人員都是整晚不睡覺(jué)，不定期的到溫室里觀察積雪情況，當(dāng)積雪積到一定程度之后就用除雪工具進(jìn)行除雪。由于雪是通過(guò)壓力產(chǎn)生破壞力的，我們就通過(guò)壓力傳感器感測(cè)單位面積上雪的壓力來(lái)判斷是否需要除雪，若需要?jiǎng)t發(fā)出報(bào)警。

2.2 性能要求

1、基于AVR單片機(jī)西瓜生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

在西瓜生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軟件、硬件緊密相關(guān)。多用硬件可減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高工作速度。多用軟件可降低成本，但軟件人員的工作量增大。對(duì)于此系統(tǒng)，有些部分必須由硬件完成，有些部分必須由軟件完成，對(duì)于軟、硬件都可完成的交叉部分，應(yīng)根據(jù)具體生產(chǎn)情況選擇最佳方案，以達(dá)到最佳性能價(jià)格比。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)步驟： 總體設(shè)計(jì)、 硬件、 軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、穩(wěn)定性測(cè)試 、撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告。

(1)硬件設(shè)計(jì)的基本原則

①經(jīng)濟(jì)合理

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，一定要注意在滿足西瓜生產(chǎn)環(huán)境所需的性能指標(biāo)的前提下，盡可能地降低價(jià)格，以便得到高的性能價(jià)格比，這是硬件設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的一個(gè)主要因素，也是此系統(tǒng)爭(zhēng)取市場(chǎng)和快速推廣的主要因素之一。

②安全可靠

設(shè)計(jì)系統(tǒng)和選購(gòu)設(shè)備時(shí)要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、粉塵等要求，以保證在適宜西瓜生長(zhǎng)的環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。另外還要有超量程和過(guò)載保護(hù)，以保證輸入、輸出通道能正常工作。還要注意對(duì)交流市電和電火花等的隔離以及保證連接件的接觸可靠。

③有足夠的抗干擾能力

有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯(cuò)誤的必要條件。例如強(qiáng)電與弱電之間的隔離措施，對(duì)電磁干擾的屏蔽，高輸入阻抗下的防止漏電等。

(2)軟件設(shè)計(jì)的基本原則

①結(jié)構(gòu)合理

程序應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)。這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴(kuò)充，而且也有利于程序的修改和維護(hù)。另外項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人可以負(fù)責(zé)一部分，可以提高效率。

②操作性能好，使用方便

盡量減少操作步驟，系統(tǒng)使用對(duì)象大多數(shù)是農(nóng)民，所以系統(tǒng)越簡(jiǎn)單才越能夠普及。

③具有一定的保護(hù)措施

系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)一定的檢測(cè)程序，例如狀態(tài)檢測(cè)和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，便于查找故障部位。對(duì)于重要的參數(shù)要定時(shí)存儲(chǔ)，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。

④提高程序的執(zhí)行速度

⑤給出必要的程序說(shuō)明

⑥給出系統(tǒng)的使用說(shuō)明。

給出完整的用戶文檔，使描述與實(shí)際功能一致并且使用戶文檔容易理解。[!--empirenews.page--]

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理介紹：

溫室的環(huán)境調(diào)控最終要通過(guò)一系列的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。防災(zāi)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)如下：

鍵盤(pán)用于改變?cè)O(shè)定點(diǎn)參數(shù)，由于各個(gè)季節(jié)各個(gè)地區(qū)的環(huán)境因素不同，使用鍵盤(pán)可以隨時(shí)設(shè)定。

LCD用于顯示風(fēng)速大小，積雪壓力大小，時(shí)間。

使用電接風(fēng)速風(fēng)向儀概述及信號(hào)檢測(cè)

(1)風(fēng)速風(fēng)向儀由感應(yīng)器、 指示器和記錄器三部分組成。 感應(yīng)器在室外的桿子上, 由風(fēng)速表和風(fēng)向標(biāo)兩部分組成。

(2)風(fēng)速表的原理是: 風(fēng)杯隨風(fēng)旋轉(zhuǎn), 帶動(dòng)和風(fēng)杯軸在一起的磁鋼在定子線圈中轉(zhuǎn)動(dòng), 線圈上就產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì), 其數(shù)值基本正比于風(fēng)速(40m/s 對(duì)應(yīng)10V )。風(fēng)速是一個(gè)模擬量, 經(jīng)過(guò)整流、 濾波及衰減變成適合A/D轉(zhuǎn)換的電平信號(hào)。

(3)風(fēng)向8個(gè)方向。風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn),瞬時(shí)停在某一方向范圍內(nèi)就接通對(duì)應(yīng)的風(fēng)向電路。風(fēng)向信號(hào)是一個(gè)開(kāi)關(guān)量。8 個(gè)方向?yàn)闁|、 南、 西、 北、 東南、 西北、 西南、 東北, 它們分別對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的D0、 D1、 D2、D3、D4、D5、D6、D7。

4、壓力傳感器用于測(cè)量冬季外部積雪壓力，用于雪災(zāi)報(bào)警。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

AVR開(kāi)發(fā)板，電機(jī)，繼電器，電磁閥，傳感器(壓力、風(fēng)速)

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序運(yùn)行流程圖

流程圖說(shuō)明：系統(tǒng)開(kāi)始后，工作人員根據(jù)時(shí)間來(lái)設(shè)置參數(shù)，然后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)，不斷檢測(cè)風(fēng)速和壓力。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出警報(bào)，同時(shí)進(jìn)入風(fēng)暴監(jiān)測(cè)模式，在該模式下系統(tǒng)會(huì)不斷檢測(cè)風(fēng)力，直到確認(rèn)風(fēng)暴已沒(méi)有威脅，此時(shí)退出風(fēng)暴監(jiān)控模式。值得注意的是為防止風(fēng)災(zāi)和雪災(zāi)同時(shí)發(fā)生而引起的系統(tǒng)檢測(cè)不力等缺點(diǎn)，在風(fēng)暴監(jiān)控模式下，測(cè)量風(fēng)速和壓力的循環(huán)不能中斷。當(dāng)壓力超標(biāo)時(shí)，發(fā)出雪災(zāi)報(bào)警，此報(bào)警可人為關(guān)閉或自動(dòng)檢測(cè)達(dá)標(biāo)后關(guān)閉，使系統(tǒng)更人性化。

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

制作出系統(tǒng)模型，能夠仿真運(yùn)行，通過(guò)模擬能夠反映當(dāng)夏季遇到臺(tái)風(fēng)時(shí)能自動(dòng)采取措施防止溫室遭受風(fēng)災(zāi)。冬季遇到大雪是能夠通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警提醒主人刮雪，以防止雪積累壓垮溫室。