温室智能温度控制系统的原理及应用

摘要：温室温度监测是控制农作物生长的关键因素，传统温度调节方式已不能满足现代温室高精度、快速采集及响应的要求。本文介绍了一种基于DS18B20数字温度传感器的温室智能温度控制系统的硬件和软件设计。该温度智能控制系统系统外围电路简单，精度好，可靠性高，具有远距离多点温度测量，控制等方面的功能。而且该系统人机界面良好, 操作简单方便, 自动化程度高, 造价低廉, 具有良好的应用前景和推广价值。

关键词：温度控制系统；温室；DS18B20

Principle and Application of Greenhouse Intelligence Temperature Control System

Abstract:The greenhouse temperature monitoring is a key factor for controlling the growth of crops.Traditional temperature control methods can not meet the modern greenhouse requirements of high accuracy,fast acquisition and response.This paper introduces the hardware and software design of an intelligence greenhouse temperature control system based on the single-bus-digital temperature sensor DS18B20. This system is circuit-simplified, high dependability, easy-installing, and easy-maintenance and it also has the functions of temperature measurement and control in many dots.The system in the research had good human computer interface, simple and convenient operation, high automation degree, low cost and good application foreground and popularization value.

Key words:temperature monitoring;greenhouse ;DS18B20

    现代设施农业生产中大量采用温室进行蔬菜等农作物培育，目前已广泛应用于农业生产、农作物的试验研究和商业动、植物的培养等方面，已经成为农业生产和农业科研必不可少的技术手段。温度监测是控制农作物生长的关键因素，由于不同温室中农作物生长所需要的温度不同且要求稳定在一定的温度范围内，仅仅依靠人工管理存在温度调节不及时、不准确、影响作物生长及人力资源浪费等问题。因此，要求有一种具有足够精度和可以实现实时控制的温度控制系统来代替人工操作，并尽可能降低成本^[1]。本文所提到的的温室智能温度控制系统采用基于DS18B20，具有多点温度监测控制、能对异常情况进行记录并可调用历史数据进行分析的优点，能满足作为温室温度监测控制系统要求。并且采用的一总线温度传感器DS18B20可以直接输出数字量，不需要AD转换，与微处理器容易接口，能够有效的解决硬件电路复杂，软件调试复杂的问题。

1、系统工作原理

系统主要由单片机和单总线数字温度传感器DS18B20等器件组成。首先根据温室内作物生长所需要的温度值，设定温度控制系统的温度值，并通过LED数码管显示所设定的温度值。党温度传感器检测到温室内的当前温度值低于所设定的温度值时，单片机将控制执行机构（加热器、循环通风装置）对温室加热，直到检测到的温度达到设定温度时停止加热^[2]。当下次温差值超过一定范围后，单片机将会再次启动加热电路加热，如此循环。

2、系统硬件设计 

该系统以AT89S51单片机为核心，由DS18B20温度传感器、按键控制电路、显示电路、电源电路及固态继电器、加热通风执行机构等部分组成^[3]。多片DS18B20都只需接到单片机的1个I/O口上，不仅节约了单片机的I/O口线，还给现场测量布线带来了极大的方便，非常适合在温室等复杂现场环境使用。

2.1 DS18B20数字温度传感器

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种新型的数字化温度传感器， 是单总线器件家族中的一员。它使用一种片内专有的温度测量技术测温。利用高低温度系数振荡器记录由当时环境温度所确定的计数值，以此确定当时当地的温度。内部主要有测温电路，1-Wire接口电路，存储电路及CRC校验电路。特点如下:(1)1-wire数字接口。CPU只需一根端口线就可与DS18B20通信^[4]；(2)可以将多个DS 18B20温度传感器挂接在一根总线上，即允许一条信号线上接数十乃至上百个数字式传感器，使用专有的64位ROM序列号区分；(3)-55℃至十125℃的宽工作范围。分辨率可达0.0625℃；（4)+3.0V至+5.5V的宽电源范围。可根据实际情况采用本地供电或通过I/O线供电；(5)2字节E2RROM，存储上下限报警温度设定值。这些特点使系统设计更灵活、方便，适合构建大型的温度测量系统。单总线的数字方式传输，也大大提高了系统的抗干扰能力^[5]。

在DS18B20中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2 的脉冲输入,其中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中, 减法计数器1和温度寄存器被预置在- 55℃所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1, 减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数, 如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。其中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理^[6]。

2.2 微控制器

采用AT89S51单片机作为控制核心。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功能，高性能CMOS8位单片机，有4k Bytes片内程序存储器，128 Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，6个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器^[7]。功能强大的AT89S51单片机可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

2.3 电源电路设计

    电源电路的作用是将交流电转换成稳定的直流5V输出，用于给单片机系统及其他外围电路的Vcc端供电。电源电路给降压、整流、滤波、稳压4个部分组成。稳压集成块采用LM7805。LM7805是一种具有优良性能的电压变换集成电路，共有3只引脚，分别是输入端、输出端与接地端^[8]。

3、系统软件设计

3.1 数据采集模块

该模块采用DS18B20采集温度数据，由于采用一线总线，硬件网络的配置较为简单，系统可以根据需要增加或减少温度传感器数量。为保证能在DS18B20时钟周期内提供足够的电流， 采用5V电源上拉供电驱动总线^[9]。由于温室离控制系统距离一般较远(大少30m)，如果采用普通信号电缆传输长度超过50m时,读取的测温数据将发生错误^[10]，当将总线电缆改为双绞线频蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，采用具体什么类型的电缆可以根据需要选择。

3.2 主控模块

    主控模块使用的LPC2132是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TD MI-STMCPU的微控制器，带有64kB的嵌入的高速Flash存储器^[11]。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。本系统片内Boot装载软件实现在系统/在应用中编程(ISP/IAP)，由P0.14引脚在上电复位时置低完成；多个串行接口，包括16C550工业标准UART用于计算机和MPU下载和上传数据信息，系统程序通过串口下载存储于Flash 中;SPI接口用于键盘操作和存储器数据的读写;使用GPIO控制各种外围器件，以及与LCD的通信。P0.15用于在接收初始化DS18B20和接收温度数字信号^[12]。

3.3 人机接口

控制模块采用的是矩阵键盘来进行控制，为节省引脚资源，采用具有SPI串行接口功能的ZLG7289A芯片作为驱动。ZLG7289A是可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。本系统利用14功能键键盘，可以调整微处理器中实时时钟的值，调整时间；选择系统工作的模式，设置各个温室的温度范围；还可以调出存储数据做历史数据分析^[13]。

3.4 存储设备

因为温度智能控制系统所采用不止一个温度传感器，而且每个传感器都有自己的专有序列号，所以需要保存各温室中各传感器的序列号，以及温室温度超过允许范围时间及温度值和所作操作的数据。为了以后调用数据备案、分析，要求存储器可靠性高、速度快，而且要求掉电后保存的传感器序列号和存储数据不能丢失，存储器能够进行多次擦写。因此本系统采用的是高性能的铁电存储器FM24C04作为存储器，FRAM既有SRAM的速度和擦写次数，又有FLASH和EEPROM的特点，掉电后数据能保存，同时因为FRAM使用SPI口通信，能简化系统的电路，降低系统电路复杂性,提高系统的可靠性^[14]。

4、结语

温室作为设施农业的一个重要发展方向，有着良好的发展前景，随着农业信息化的发展，比任何领域都迫切要求采用高新技术^[15]。本系统用简单的硬件及编程方法实现了多点温度的测量、数字温度传感器的出错指示和识别，有利于系统的调试和扩充，能有效降低成本，缩短开发周期^[16]。DS18B20温度传感器具有测量速度快、精度高、高低温报警、智能化等特点^[17]，由此构成的温室温度控制系统比传统的测温系统可靠性高、成本低、易于构成网络控制，具有很强的实用价值和推广价值。

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南京农业大学课程考核情况表

20 12  —20 13   学年第  2  学期

学    院：  园艺学院                                          

课程名称：  设施农业工程                   学分：     2     

学号姓名：  14110116  吴雯雯                                                 

考核方式：  课程论文                                         

考核内容：                                                  

评    语：                                                  

                                                            

                                                            

                                                            

                                                            

                                                            

                                                            

                                                            

                                                            

成绩：                   

教师签名：               

时间：                   

第二篇：温室大棚智能控制系统的研发设计与使用

温室大棚智能控制系统的研发设计与使用

摘要:设计了一套能实时控制农业种植温室内温度、湿度、光照度及CO2浓度等参数的测控系统,该系统安装了农艺专家管理程序,能给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数,并自动生成合理的控制方案,实现了人造气候的智能化管理。阐述了一个大棚智能温室控制系统，该系统运行可靠、成本低。系统通过对温室内的温度与湿度参量的采集，并根据上述参数实现对温度和湿度的自动调节，达到了温室大棚自动控制的目的。

关键词:农业温室；农业专家管理系统；专家决策；人造气候；智能温室控制系统

托普物联网认为：智能温室控制系统是专门为农业温室、农业环境控制、气象观测开发生产的环境自动控制系统。可测量风向、风速、温度、湿度、光照、气压、雨量、太阳辐射量、太阳紫外线、土壤温湿度等农业环境要素，根据温室植物生长要求，自动控制开窗、卷膜、风机湿帘、生物补光、灌溉施肥等环境控制设备，自动调控温室内环境，达到适宜植物生长的范围，为植物生长提供最佳环境。

一、国内智能化温室现状

目前，国内具有生产智能化温室能力的公司约20余家，由于其研制时间较早，受当时的电脑水平和国内部分种类传感器的性能所限，系统整体水平不高。此外，由于其产品进入市场时间短，系统的可靠性和耐用性还有待证明。目前，国内公司主要依靠自己的力量研发，虽拥有独立的知识产权，但仍无法与荷兰、以色列等国家的智能化温室系统相比。一是此类设备价格昂贵，不能得到普及；二是对各种参数的控制缺少智能化，而使其应用受栽培学知识的局限性。一种植物在不同的生长期其最佳气候要求不同，不同植物在相同生长期的最佳气候要求也不同，由于操作者不一定是农业专家，其设定的气候参数是否是植物本生长期的最佳参数，因此操作人直接影响着自控系统效益的发挥。为此，我们从植物的生长需求出发，利用电子技术、生物技术、计算机控制技术开发了一套农业种植温室自动控制系统，该系统安装了“农业专家管理系统”，能够及时为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，不但能为不懂农业技术的用户提供技术帮助和实时指导，而且能自动生成合理的控制方

案，实现了人造气候的智能化管理。

二、系统构成及功能

本系统以主机为上位机，以若干个温室内的“气候自动控制器”为下位机，其间以通讯线路相连接（图1）。各温室内的“气候自动控制器”负责采集本温室温度、湿度、光照度和CO2浓度等气候参数，并通过通讯线路传送给主机，主机通过我们开发的软件，把传来的气候参数与“农业专家管理系统”对各温室事先设定的最佳气候参数进行比较、分析和运算，向各温室的“气候自动控制器”发出“通风、加热、喷淋、调节光照、补充CO2”等相应控制指令，各温室内的“气候自动控制器”根据主机对本温室的控制指令立即接通或断开“通风机”、“加热器”、“淋水泵”、“光照调节装置”和“CO2施放机构”等设备的电源，从而控制温室的气候参数始终保持在适合植物快速生长的最佳状态。

2.1

气候参数的采集

温室环境气候参数的采集依靠传感器进行，包括土壤湿度传感器、叶面湿度传感器、空气温湿度一体化传感器、光照度传感器、CO2传感器。它们是监控系统的信息来源，关系到整个系统的检测、数据分析和控制的可靠性与准确性。2.2伺服机构

伺服机构是“气候自动控制器”具体控制的执行者，包括通风机、加热器、喷淋水泵、光照调节装置、CO2施放机构等设备。

2.3气候自动控制器

“气候自动控制器”可在无主机的情况下单独控制本温室的气候，本温室各种气候参数通过传感器进行实时检测，然后经单片机分析处理后输出控制指令，经执行机构完成最佳气候的自动化控制（图2）。这种控制方式成本较低，特别适用于对我国中小型温室的智能化控制。

三、系统软件

系统软件由数据综合管理系统（图3）及农业专家管理系统（图4）两部分组成。数据综合管理系统软件主要用于温室环境参数的设置、通讯、显示、存储、查询、统计和打印等；农业专家管理系统软件能及时为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，并能自动生成最佳控制方案，为不懂农业技术的用户提供技术帮助和实时指导。

四、农业专家管理系统设计

农业专家管理系统具有专家决策与咨询两项功能，因为数据能反映事物的数量化特征，在数量上能为各级管理者和决策者提供数据和辅助决策信息，因此该系统是以数据形式进行辅助管理的。4.1人机接口

人机接口是人机交流的界面，用户可以向系统提供信息、任务要求和系统向用户提供解答及索取为完成任务所需要的补充信息。4.2知识库内容

由于温室生产中农业专家知识范围广泛，知识类型复杂，我们采用了树形目录的方式进行分类表示，内容包括植物类别、植物特性、栽培技术、最佳气候参数等，其中植物类别有花卉、苗木和反季节蔬菜三大类；植物特性包括植物属性、日照要求、原产地等；栽培技术包括栽培土质、适应品种、繁殖方法、种苗管理、浇水措施、施肥操作、病虫害防治等；最佳气候参数是用于温室控制最重要、最直接的参数，包括白天、夜晚植物在不同生长期的最佳温度、湿度、光照强度和CO2浓度等。其内容以黄瓜为例见表1。

4.3知识库管理系统功能

知识库管理系统包括知识库编辑和专家咨询两个模块，通过知识库编辑模块可以输入、增加、删除、修改领域知识，实现知识的继承输入；通过知识库咨询模块，用户可查看知识库的总体结构，并能迅速查出某温室栽培作物的有关知识。

4.4专家决策系统

专家决策系统的功能包括信息收集、问题识别、问题求解等，可根据用户提出的任务要求进行分析、判断，并利用专家知识库提供的知识进行问题求解。就本系统的决策环境来看，一是要涉及专家丰富的知识因素；二是决策要建立在实时测量基础上,在联网控制方式下,决策过程为:用户通过人机接口，只需把指定编号温室的植物类型和生长期输入到专家管理系统，主机即可根据农艺专家推荐的最佳气候参数结合RS-485通讯线路传来的温室实测气候数据，自动生成合理的控制方案，再通过通讯线路把控制指令下达到该编号温室内的气候自动控制器，通过伺服机构实施智能化控制。

五、托普物联网简介：

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！

托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方

案、温室大棚智能控制解决方案等。

托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。

1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。

六、结语

目前，我国农村正在大力发展温室栽培，绝大部分温室大棚已经安装有通风、加热、喷淋等设备，只需添加“自动控制系统”中的气候自动控制器、环境参数采集传感器及输出控制柜。经实证验证，本系统运行状况良好，由于采用模块化设计，上位机未采用个人计算机并可根据情况进行取舍，通信距离可达到1km，系统经济、灵活,而且操作方便，比较适合在中、小规模大棚内使用和推广。

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