一、項目概述

1.1 引言

溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。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)生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(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，己越來越受到世界各國的重視。這也為我國大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機遇，并產(chǎn)生巨大的推動作用。本項目以AVR芯片為控制芯片，設(shè)計了一套適用于當(dāng)前西瓜生產(chǎn)的溫室防災(zāi)控制系統(tǒng)。

1.2 項目背景

中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，“三農(nóng)”問題關(guān)系到國民素質(zhì)、經(jīng)濟發(fā)展，關(guān)系到社會穩(wěn)定、國家富強、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，我國每年因氣象災(zāi)害損失糧食1000億斤左右。自然災(zāi)害呈加重態(tài)勢，糧食生產(chǎn)風(fēng)險越來越大。從而使如何減少氣象災(zāi)害對農(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。為西瓜提供一個更適宜其生長的封閉的、良好的生存環(huán)境，以提早成熟，最終將會給我們帶來巨大的經(jīng)濟效益。但隨著地球氣候的多變性，最近幾年各地氣候變化無常，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)的氣候特點是高溫高濕、臺風(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,其配套的環(huán)境自動監(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～3月1日3時，山東壽光遭遇了20年來的最大的降雪，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。

本項目在了解了風(fēng)暴和降雪的識別模式后,計劃用ATmega16設(shè)計一套自動測控系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)災(zāi)雪災(zāi)自動測控和防御。

二、需求分析

2.1 功能要求

溫室環(huán)境的檢測及控制通過AVR單片機來實現(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(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級以上的風(fēng)將對大棚產(chǎn)生很大的摧毀力,因此風(fēng)災(zāi)防御的關(guān)鍵是識別7級以上的風(fēng)。為了說明方便,本方案把7級以上的風(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，由于降雪時溫度較高，日光溫室前屋面積雪的底部先開始融化，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程中發(fā)生了變形和倒塌。原因是在清除下半部分積雪過程中，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。最終會導(dǎo)致溫室的坍塌。本項目只對雪災(zāi)報警，以減小雪災(zāi)危害。

1、風(fēng)暴的識別與防御

(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)過時,強風(fēng)、弱風(fēng)交替發(fā)生,持續(xù)不斷,如果根據(jù)風(fēng)力大小來控制開關(guān)窗,將造成風(fēng)暴期間不停地開、關(guān)窗;風(fēng)暴解除過程中,強風(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)速來控制開、關(guān)窗將達(dá)不到控制要求,必須準(zhǔn)確而又迅速地識別風(fēng)暴的來臨與解除。

(2) AVR單片機利用風(fēng)速傳感器識別風(fēng)暴

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

(3) 風(fēng)災(zāi)的自動防御

風(fēng)災(zāi)自動防御基本模式是:當(dāng)風(fēng)暴自動測控系統(tǒng)檢測到風(fēng)速大于等于13.9 m/s時,就發(fā)出關(guān)窗指令,然后,系統(tǒng)再調(diào)用風(fēng)暴識別模式,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“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)的識別與防御。

雪災(zāi)往往由于大雪下的時間過長或過大，積雪的壓力導(dǎo)致溫室坍塌，所以及時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，工作人員都是整晚不睡覺，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。由于雪是通過壓力產(chǎn)生破壞力的，我們就通過壓力傳感器感測單位面積上雪的壓力來判斷是否需要除雪，若需要則發(fā)出報警。

2.2 性能要求

1、基于AVR單片機西瓜生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計原則

在西瓜生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計中，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)到最佳性能價格比。系統(tǒng)開發(fā)步驟： 總體設(shè)計、 硬件、 軟件設(shè)計、系統(tǒng)仿真、穩(wěn)定性測試 、撰寫技術(shù)報告。

(1)硬件設(shè)計的基本原則

①經(jīng)濟合理

系統(tǒng)硬件設(shè)計中，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，盡可能地降低價格，以便得到高的性能價格比，這是硬件設(shè)計中優(yōu)先考慮的一個主要因素，也是此系統(tǒng)爭取市場和快速推廣的主要因素之一。

②安全可靠

設(shè)計系統(tǒng)和選購設(shè)備時要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動、粉塵等要求，以保證在適宜西瓜生長的環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。另外還要有超量程和過載保護(hù)，以保證輸入、輸出通道能正常工作。還要注意對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)生錯誤的必要條件。例如強電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，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。這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴充，而且也有利于程序的修改和維護(hù)。另外項目團隊中的每個人可以負(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)使用對象大多數(shù)是農(nóng)民，所以系統(tǒng)越簡單才越能夠普及。

③具有一定的保護(hù)措施

系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計一定的檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時，便于查找故障部位。對于重要的參數(shù)要定時存儲，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給出必要的程序說明

⑥給出系統(tǒng)的使用說明。

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

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理介紹：

溫室的環(huán)境調(diào)控最終要通過一系列的執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)。防災(zāi)系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)如下：

鍵盤用于改變設(shè)定點參數(shù)，由于各個季節(jié)各個地區(qū)的環(huán)境因素不同，使用鍵盤可以隨時設(shè)定。

LCD用于顯示風(fēng)速大小，積雪壓力大小，時間。

使用電接風(fēng)速風(fēng)向儀概述及信號檢測

(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), 帶動和風(fēng)杯軸在一起的磁鋼在定子線圈中轉(zhuǎn)動, 線圈上就產(chǎn)生交流電動勢, 其數(shù)值基本正比于風(fēng)速(40m/s 對應(yīng)10V )。風(fēng)速是一個模擬量, 經(jīng)過整流、 濾波及衰減變成適合A/D轉(zhuǎn)換的電平信號。

(3)風(fēng)向8個方向。風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn),瞬時停在某一方向范圍內(nèi)就接通對應(yīng)的風(fēng)向電路。風(fēng)向信號是一個開關(guān)量。8 個方向為東、 南、 西、 北、 東南、 西北、 西南、 東北, 它們分別對應(yīng)一個字節(jié)的D0、 D1、 D2、D3、D4、D5、D6、D7。

4、壓力傳感器用于測量冬季外部積雪壓力，用于雪災(zāi)報警。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

AVR開發(fā)板，電機，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

程序運行流程圖

流程圖說明：系統(tǒng)開始后，工作人員根據(jù)時間來設(shè)置參數(shù)，然后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)，不斷檢測風(fēng)速和壓力。當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)定值時，發(fā)出警報，同時進(jìn)入風(fēng)暴監(jiān)測模式，在該模式下系統(tǒng)會不斷檢測風(fēng)力，直到確認(rèn)風(fēng)暴已沒有威脅，此時退出風(fēng)暴監(jiān)控模式。值得注意的是為防止風(fēng)災(zāi)和雪災(zāi)同時發(fā)生而引起的系統(tǒng)檢測不力等缺點，在風(fēng)暴監(jiān)控模式下，測量風(fēng)速和壓力的循環(huán)不能中斷。當(dāng)壓力超標(biāo)時，發(fā)出雪災(zāi)報警，此報警可人為關(guān)閉或自動檢測達(dá)標(biāo)后關(guān)閉，使系統(tǒng)更人性化。

3.5 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果

制作出系統(tǒng)模型，能夠仿真運行，通過模擬能夠反映當(dāng)夏季遇到臺風(fēng)時能自動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語音報警提醒主人刮雪，以防止雪積累壓垮溫室。