農(nóng)用溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

引 言

隨著科技水平的不斷提升，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也隨之升高，希望一年四季都能享用自己喜愛(ài)的菜肴，這對(duì)新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代信息化建設(shè)提出了新的要求。而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)又同時(shí)面臨著農(nóng)民逐漸減少及老齡化等問(wèn)題 [1,2]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，如何保證蔬菜、水果、牲禽等的合適培養(yǎng)環(huán)境成為重要問(wèn)題之一

為保證各類(lèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適宜環(huán)境溫度 [3,4]，有必要設(shè)計(jì)一種農(nóng)用恒溫控制系統(tǒng)。又因?yàn)榻陙?lái)惡劣氣候頻繁出現(xiàn)，在極其惡劣的壞境下很多農(nóng)業(yè)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此有必要在系統(tǒng)中加入報(bào)警模塊，以便長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到合適溫度時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒農(nóng)民采取應(yīng)急措施，減少損失

1 總體方案

本文主要設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用恒溫控制及報(bào)警系統(tǒng)裝置，裝置正常工作時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界溫度，與所設(shè)定的閾值及允許誤差范圍相比較，若誤差超出允許范圍則控制相應(yīng)設(shè)備運(yùn)行以便調(diào)節(jié)溫度，直至誤差調(diào)節(jié)到允許范圍后停止，且當(dāng)溫度在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到允許誤差范圍內(nèi)時(shí)報(bào)警，提醒農(nóng)民查看相關(guān)設(shè)備是否損壞，以便及時(shí)采取應(yīng)急措施，減少損失。裝置整體運(yùn)行如圖 1 所示

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

裝置主要包含單片機(jī)控制系統(tǒng)、電源模塊以及報(bào)警系統(tǒng)三部分

2.1 控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)溫度，將相關(guān)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，與所設(shè)定的閾值及允許誤差范圍相比較，向溫度控制設(shè)備發(fā)送運(yùn)行或停止命令。若長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到正常溫度則報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。單片機(jī)控制系統(tǒng)如圖 2 所示

系統(tǒng)采用 PID 控制器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)效果較好，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，其控制結(jié)構(gòu)如圖 3 所示

按系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)其具體電路，如圖 4 所示

2.2 電源模塊

由于農(nóng)村地理位置相對(duì)空曠，陽(yáng)光照射條件較好，可采用太陽(yáng)能光伏電源與鋰電池相配合的電源模塊 [5,6] 來(lái)給系統(tǒng)供電，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示

RT9525 充電管理芯片及其外圍電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)所述單節(jié)鋰電池的充放電管理，當(dāng)芯片檢測(cè)到輸入管腳（VIN）的電壓較大時(shí)，將給電力設(shè)備供電，以及為鋰電池充電 ；當(dāng)芯片檢測(cè)到VIN 管腳的電壓僅夠向電力設(shè)備提供電能時(shí)，優(yōu)先給裝置供電停止對(duì)鋰電池充電 ；當(dāng)芯片檢測(cè)到 VIN 管腳的電壓小于裝置供電時(shí)，RT9525 充電管理芯片控制鋰電池放電給裝置供電整個(gè)運(yùn)行過(guò)程可使裝置得到安全穩(wěn)定不間斷的電能 [7-10]

2.3 報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)主要由RF 射頻模塊及后臺(tái)上位機(jī)構(gòu)成，系統(tǒng)在正常工作無(wú)需報(bào)警的情況下，射頻模塊每隔 15 分鐘便利用ZigBee 協(xié)議發(fā)送溫度數(shù)據(jù)至后臺(tái)上位機(jī)并保存，當(dāng)超過(guò) 1 小時(shí)溫度還無(wú)法達(dá)到規(guī)定誤差范圍時(shí)，射頻模塊在發(fā)送溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)激發(fā)后臺(tái)上位機(jī)相關(guān)程序報(bào)警，提醒農(nóng)民采取應(yīng)急措施

3 實(shí)例驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的裝置置于某蔬菜大棚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度閾值 15℃，誤差不超過(guò) 0.5℃，運(yùn)行一段時(shí)間后，讀取后臺(tái)上位機(jī)所保存的溫度數(shù)據(jù)，圖 6 所示為有代表性的兩裝置在某一天 24 小時(shí)內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度

如圖 6（a）所示，裝置運(yùn)行正常，且溫度控制設(shè)備未損壞溫度一直控制在允許誤差范圍內(nèi)，超出誤差范圍后也可迅速調(diào)節(jié)至標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，無(wú)報(bào)警記錄，裝置正確有效。如圖 6（b）所示裝置運(yùn)行正常，但溫度控制設(shè)備在某一時(shí)間出現(xiàn)故障，查報(bào)警數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)溫度在 1 小時(shí)內(nèi)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，有報(bào)警記錄，經(jīng)簡(jiǎn)單檢查，發(fā)現(xiàn)溫度控制設(shè)備電源出現(xiàn)故障，搶修1 小時(shí)后恢復(fù)正常裝置正確有效

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技水平的不斷提升，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也隨之升高，這對(duì)新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代信息化建設(shè)提出了新的要求。本文設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用恒溫控制及報(bào)警系統(tǒng)裝置，裝置在正常工作時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界溫度，與所設(shè)定的閾值及允許誤差范圍相比，若誤差超出允許范圍則控制相應(yīng)設(shè)備運(yùn)行以便調(diào)節(jié)溫度，直至誤差調(diào)節(jié)到允許范圍后停止運(yùn)行。若溫度在一定時(shí)間內(nèi)還達(dá)不到允許誤差范圍，則報(bào)警，提醒相關(guān)設(shè)備可能由于天氣等原因損壞，應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)急措施，減少損失。正常運(yùn)行時(shí)裝置能實(shí)時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)誤報(bào)警現(xiàn)象，當(dāng)溫度控制設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，裝置能正確發(fā)出報(bào)警信號(hào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的裝置正確有效，能滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求