2020年02月09日 | 基于AVR的西瓜生产温室防灾控制系统

一、项目概述

1.1 引言

温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。随着农业现代化的发展，设施农业工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。本项目以AVR芯片为控制芯片，设计了一套适用于当前西瓜生产的温室防灾控制系统。

1.2 项目背景

中国作为一个农业大国，“三农”问题关系到国民素质、经济发展，关系到社会稳定、国家富强、民族复兴。“十二五”发展规划中现代农业是的重中之重，我国农业生产靠天吃饭的局面仍未根本改变。农业基础设施条件还比较差，抗御自然灾害能力较弱。近年来，我国每年因气象灾害损失粮食1000亿斤左右。自然灾害呈加重态势，粮食生产风险越来越大。从而使如何减少气象灾害对农业生产的影响变得尤为重要。

温室是现代西瓜生产中必不可少的设施之一，其硬件投资大，内部环境稳定。为西瓜提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早成熟，最终将会给我们带来巨大的经济效益。但随着地球气候的多变性，最近几年各地气候变化无常，农村农作物受灾严重，今年江苏苏北地区西瓜生产因干旱影响很多西瓜枯死。华东、华南沿海地区的气候特点是高温高湿、台风频繁，所以，这些地区的温室大棚必须以降温、降湿，特别是要以能防御风灾为目标进行设计，其配套的环境自动监控系统也要以此为目标进行研制。2010年2月28日16时～3月1日3时，山东寿光遭遇了20年来的最大的降雪，降雪量达到25.6mm，地面积雪逾20 cm，约有30%的蔬菜日光温室发生变形，5%左右倒塌，使寿光及周边地区日光温室蔬菜生产造成严重损失。

本项目在了解了风暴和降雪的识别模式后，计划用ATmega16设计一套自动测控系统实现风灾雪灾自动测控和防御。

二、需求分析

2.1 功能要求

温室环境的检测及控制通过AVR单片机来实现。据有关资料表明，风压的大小在很大程度上取决于风速，一般7级(风速为13.9~17.1 m/s)大风吹到物体表面，能产生225.4 N/m2的压力，所以，7级以上的风将对大棚产生很大的摧毁力，因此风灾防御的关键是识别7级以上的风。为了说明方便，本方案把7级以上的风称为风暴。

华东沿海地区，近几年都有不同程度的降雪，由于降雪时温度较高，日光温室前屋面积雪的底部先开始融化，引起上部积雪下滑，积聚在前半部的积雪厚度达50 cm以上，突然增加的荷载造成了日光温室前部发生变形和倒塌。未能及时清除积雪的日光温室变形和倒塌较多，也有部分日光温室是在清除积雪过程中发生了变形和倒塌。原因是在清除下半部分积雪过程中，上半部分积雪沿防雨膜下滑，使积雪积聚于前部产生了较大的压力。最终会导致温室的坍塌。本项目只对雪灾报警，以减小雪灾危害。

1、风暴的识别与防御

（1）风暴的特征分析

风暴的风力变化非常复杂，风暴经过时，强风、弱风交替发生，持续不断，如果根据风力大小来控制开关窗，将造成风暴期间不停地开、关窗；风暴解除过程中，强风、弱风也是交替发生，风力逐渐减小，风暴发生与解除的界限模糊而交叉。因此，只根据风力、风速来控制开、关窗将达不到控制要求，必须准确而又迅速地识别风暴的来临与解除。

（2）AVR单片机利用风速传感器识别风暴

使用多个传感器，输出层将输出各类风的识别结果。将一段时间内采集到的n个风速值作为输入值，单片机内部将输出识别结果，将根据风速大小分别设“风暴，7级以上的风”，“风暴解除，为4及以下的风”，“5、6级风”。并根据识别结果给出不同警告和操作。

(3) 风灾的自动防御

风灾自动防御基本模式是:当风暴自动测控系统检测到风速大于等于13.9 m/s时，就发出关窗指令，然后，系统再调用风暴识别模式，辨别是否是风暴，如果不是风暴，就恢复正常的控制模式；如果是风暴就保持关窗状态。风暴发生期间，就一直检测“风暴是否解除”，当风暴解除了即恢复正常的控制模式。

2、雪灾的识别与防御。

雪灾往往由于大雪下的时间过长或过大，积雪的压力导致温室坍塌，所以及时清除或加固温室可以起到很大作用，目前农村遇到大雪时，工作人员都是整晚不睡觉，不定期的到温室里观察积雪情况，当积雪积到一定程度之后就用除雪工具进行除雪。由于雪是通过压力产生破坏力的，我们就通过压力传感器感测单位面积上雪的压力来判断是否需要除雪，若需要则发出报警。

2.2 性能要求

1、基于AVR单片机西瓜生产系统的设计原则

在西瓜生产系统设计中，软件、硬件紧密相关。多用硬件可减轻CPU负担，提高工作速度。多用软件可降低成本，但软件人员的工作量增大。对于此系统，有些部分必须由硬件完成，有些部分必须由软件完成，对于软、硬件都可完成的交叉部分，应根据具体生产情况选择最佳方案，以达到最佳性能价格比。系统开发步骤：总体设计、硬件、 软件设计、系统仿真、稳定性测试 、撰写技术报告。

（1）硬件设计的基本原则

①经济合理

系统硬件设计中，一定要注意在满足西瓜生产环境所需的性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素，也是此系统争取市场和快速推广的主要因素之一。

②安全可靠

设计系统和选购设备时要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在适宜西瓜生长的环境下，系统性能稳定、可靠。另外还要有超量程和过载保护，以保证输入、输出通道能正常工作。还要注意对交流市电和电火花等的隔离以及保证连接件的接触可靠。

③有足够的抗干扰能力

有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，高输入阻抗下的防止漏电等。

（2）软件设计的基本原则

①结构合理

程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。另外项目团队中的每个人可以负责一部分，可以提高效率。

②操作性能好，使用方便

尽量减少操作步骤，系统使用对象大多数是农民，所以系统越简单才越能够普及。

③具有一定的保护措施

系统应设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。

④提高程序的执行速度

⑤给出必要的程序说明

⑥给出系统的使用说明。

给出完整的用户文档，使描述与实际功能一致并且使用户文档容易理解。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

系统硬件结构框图

系统功能实现原理介绍：

温室的环境调控最终要通过一系列的执行机构来实现。防灾系统的执行机构系统如下：

键盘用于改变设定点参数，由于各个季节各个地区的环境因素不同，使用键盘可以随时设定。

LCD用于显示风速大小，积雪压力大小，时间。

使用电接风速风向仪概述及信号检测

(1)风速风向仪由感应器、指示器和记录器三部分组成。感应器在室外的杆子上，由风速表和风向标两部分组成。

(2)风速表的原理是：风杯随风旋转，带动和风杯轴在一起的磁钢在定子线圈中转动，线圈上就产生交流电动势，其数值基本正比于风速(40m/s 对应10V )。风速是一个模拟量，经过整流、 滤波及衰减变成适合A/D转换的电平信号。

(3)风向8个方向。风向标随风旋转，瞬时停在某一方向范围内就接通对应的风向电路。风向信号是一个开关量。8 个方向为东、 南、 西、 北、 东南、 西北、 西南、 东北，它们分别对应一个字节的D0、 D1、 D2、D3、D4、D5、D6、D7。

4、压力传感器用于测量冬季外部积雪压力，用于雪灾报警。

3.2 硬件平台选用及资源配置

AVR开发板，电机，继电器，电磁阀，传感器（压力、风速）

3.3系统软件架构

3.4 系统软件流程

程序运行流程图

流程图说明：系统开始后，工作人员根据时间来设置参数，然后系统进入循环，不断检测风速和压力。当风速超过设定值时，发出警报，同时进入风暴监测模式，在该模式下系统会不断检测风力，直到确认风暴已没有威胁，此时退出风暴监控模式。值得注意的是为防止风灾和雪灾同时发生而引起的系统检测不力等缺点，在风暴监控模式下，测量风速和压力的循环不能中断。当压力超标时，发出雪灾报警，此报警可人为关闭或自动检测达标后关闭，使系统更人性化。

3.5 系统预计实现结果

制作出系统模型，能够仿真运行，通过模拟能够反映当夏季遇到台风时能自动采取措施防止温室遭受风灾。冬季遇到大雪是能够通过语音报警提醒主人刮雪，以防止雪积累压垮温室。