智能温室电气工程设计（共10篇）
智能温室电气工程设计 篇1
摘要：农业物联网是结合了当代自动控制、农业生物学、计算机网络等多种技术的综合性应用。文章设计的温室大棚智能系统, 完成了基于Zigbee技术的温室大棚智能系统的软硬件设计, 实现了对大棚内各项环境参数的实时采集, 无线传输和闭环控制。本系统的无线数据采集节点对植物生长环境中比较重要的空气温、湿度、光照强度、土壤湿度等数据进行实时采集。由Zigbee协调器构建一个拓扑结构为星型的Zigbee网络实现采集数据的无线传输, Zigbee网络的协调器模块作为总控制器, 根据系统设置的环境阈值对相应的执行机构进行控制。
关键词：农业物联网,温室大棚,无线网络传输
1 概述
农业物联网技术在温室大棚系统之中, 利用各种传感器设备, 例如:光照传感器、PH值传感器、温湿度传感器、CO2传感器对环境中的光照强度、PH值、温湿度、CO2浓度这些物理量参数进行检测, 然后利用各种仪表仪器进行实时的显示或者作为参数变量参与系统的自动控制, 以保证温室大棚系统内有一个适宜的、良好的环境给农作物生长。在远程控制模块中, 技术人员可以在控制室内检测以及控制多个大棚的环境。农作物生长条件是通过无线网络进行测量的, 这样就可以给精确的调控温室环境提供可靠的科学依据, 从而达到调节生长周期、改善品质、增加产量、提高农作物的经济效益的目的[1]。
2 系统硬件设计
本系统由协调器节点创建无线网络, 并接受来自传感器子节点的Zigbee模块的采集数据, 通过对数据的处理向控制器子节点发送控制信息。其中传感器节点与单片机MSP430 和STM8 通过串口连接实现数据的发送, 单片机对相应的传感器采集到的模拟量或者读取的数字量进行处理后发送给Zigbee模块。控制器节点也通过串口与单片机实现数据收发, 单片机通过对I/O口的控制驱动直流电机等执行器[2]。
2.1 终端节点传感器模块硬件设计
根据对大棚控制的要求, 系统需要采集大棚温湿度、光照以及地面湿度这些参数, 所以我们需要利用到光照传感器、温湿度传感器、地面湿度传感器与微型控制器[3]。
我们采用的光照传感器模块是以光敏电阻为主的传感器。它是基于敏电阻内光电效应的工作原理, 当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加, 光敏电阻两端电压增大, R4 两端电压减小。周围的光线变强时引起光敏电阻的阻值减小, 光敏电阻两端电压减小, R4两端电压增大[4]。
温湿度传感器选择使用了DHT22, DHT22 采样周期间隔时间不得低于2S。DATA数据接口为单总线接口, 用于微控制器与模块的通讯与同步, 采用单总线数据格式, 一次通讯时间大约为5ms, 输出数据为40 个bit位并且高位先出。
土壤湿度传感器模块由一个LM393 低功率低失调电压双比较器为主体。
文章选择了STM8S103F3 基础性微控制器, STM8 具有3 级流水线的哈佛结构, 该MCU内部高度集成了内部时钟振荡器, 3V-5.5V的宽工作电压。然而相对于其他的8 位MCUSTM8 最高fcpu频率可以达到24MHZ, 当cpu小于或等于16MHZ时为0, 等待的存储器访问。
2.2 终端节点执行器节点硬件设计
本系统中的执行器包括步进电机、直流电机、LED灯、水泵四个。步进电机带动大棚顶部的卷帘, 当棚内温度低时拉上卷帘避免温度过低, 直流电机带动叶片, 可以保持棚内空气流通, 当土壤湿度不够时开启水泵实现自动灌溉, 光照强度不足时开启LED灯补充光照[5]。
文章用到了水泵来调节土壤的湿度, 风扇用来增加空气对流, 降温等目的。对于水泵和风扇的驱动都选择了L9110 驱动芯片, L9110 有低静态工作电流宽电源电压 (范围为2.5V至12V) , 每条通道都具有800m A连续电流输出的能力以及较低的饱和压降, 兼容TTL/CMOS输出电平, 可直接连接到CPU的IO引脚, 输出内置钳位二极管, 比较适用于感性负载, 控制和驱动集成于单片IC内部, 具有管脚高压保护等功能。
2.3 Zigbee模块硬件设计
本系统选择CC2530 作为Zigbee模块的主要芯片, CC2530 芯片集成了实时时钟, 两个可编程USART, 用于主/从SPI或者UART操作, 上电复位, 可编程看门狗等。CC2530 在单个芯片上整合了Zig-bee射频前端, 内存和微控制器, 使用1 个8 位MCU (8051) , 具有128KB可编程闪存和8KB的RAM。电源电路核心芯片是LM1117, LM1117 是一个低压差电压调节芯片, 它的压差在输出负载电流为800m A时为1.2V。LM1117 可以提供电流限制和热保护, 电路包含了1 个齐纳调节的带隙参考电压, 以确保输出电压的精度在正负1%之内。LM1117 主要应用于开关DC/DC转换器的主调压器, 电池充电器以及电池供电装置等方面, 文章主要用LM1117 作为开关DC/DC转换器的主调压器实现直流5V到流3.3V的转换。
3 系统软件设计
本系统主要涉及到STM8、MSP430G2553 和CC2530 三个MCU的程序编写, 其中STM8 主要用于处理传感器模块, 而CC2530 用于建立Zigbee网络及无线数据收发MSP430G2553 主要用来控制电机, 水泵等执行器。STM8 与CC2530 程序的编写基于IAR编译环境MSP430 基于CCS环境。STM8 的程序主要以库的形式编写, STM8为16MHZ, 8 位低功耗单片机, 2.95 到5.5V的工作电压范围, 10 位AD模数转换器, 最多5 路通道, 支持扫描模式。带有同步时钟输出的UART等功能。
本系统中设计到的三个传感器分别为温湿度传感器、光照强度传感器和土壤湿度传感器, 然而三个传感器中光照强度和土壤湿度传感器都需要用到单片机的AD转。
Zigbee网络的建立由协调器发起, 网络协调器是整个网络的中心, 主要有建立、管理、维持网络以及分配终端节点的十六位短网络地址等功能, 因此协调器也被认为是Zigbee网络的大脑。文章选择星型拓扑结构, 这种拓扑结构的特点在于Zigbee网络中协调器是唯一的, 考虑到温室大棚的监控区域性, 所以选择星型拓扑结构比较合适。星型拓扑结构中, 所有终端设备只可以和协调器之间进行通信, 节点之间的通讯需要通过协调器中转。建立星型网络的过程中, 协调器是作为发起设备, 协调器被激活后, 它就建立起网络, 并作为PAN协调器, 路由设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络, 不同PAN标识符的星型网络中的设备之间不能通讯。协调器与按键模块通过窗口相连, 一旦协调器收到来自按键模块的信息就调用回调函数将对应的信息发送至终端执行器节点。
4 结束语
文章设计的采用Zigbee无线传感器网络技术开发的经济型大棚智能测控系统, 是一种集监、控、管于一体的大棚温室智能化监控设施, 结合了计算机自控技术, 为作物创造相对于传统农业更好的生长条件, 避免了外界四季变化和恶劣气候的影响, 以达到促进生长发育, 并提高农作物质量、产值产量, 提高土地的使用率, 实现资源的节约等目的。温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利, 所以得到了迅速的推广和应用。
参考文献
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[5]陆楠, 郭勇.基于Zig Bee技术的无线大棚温湿监控系统[J].现代电子技术, 2008, 31 (15) :98-100.
智能温室电气工程设计 篇2
关键词：控制系统；PLC；WinCC组态；智能温室
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）10-0020-03
温室综合利用新材料、自动控制、环境工程、生物工程等相关技术，在局部环境调控温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液养分等环境因子，以创造作物生长最适宜的环境条件。温室栽培改变了传统农业生产模式，打破了植物生长的地域和时空界限，推动了农业生产和社会文明的发展。现代温室越来越广泛地应用于设施农业生产中，温室生产成为现代农业的标志。随着现代农业的发展，特别是随着农业人口向城市转移，对农业自动化的要求越来越高，温室技术也逐步向智能化方向发展。本课题采用基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器（PLC）和WinCC组态软件的温室环境控制系统设计方案，利用传感器自动采集温室环境参数，对温室环境实现智能化控制。通过采用组态软件完成控制系统的组态设计，实现了控制系统操作的人性化和过程的可视化。
1 温室环境控制要求及总体控制方案
总体上来讲，温室环境中涉及很多环境因子，而且这些环境因子之间是相互作用的，要更好地制定相应的调控策略，就必须了解温室内部各环境因子之间的关系。影响作物生长发育的环境因子主要有温度、湿度、光照强度和CO2浓度等，因此温室控制主要针对以上气候因子进行智能控制。温度调控主要是通过加热系统与冷却系统来进行，冬天采用加热装置如热水管道加热，夏季高温采用开天窗、开启帘幕系统、湿帘—风机系统等来进行降温。湿度调控通过风机系统和喷灌系统来实现。CO2浓度调控通过风机系统及利用电磁阀控制二氧化碳储液罐来实现。光照调控可利用遮幕系统以及人工光源来进行控制。
本研究设计的控制系统是由上位机和下位机组成的智能温室控制系统。上位机为一台 PC机，下位机采用德国西门子PLC，CPU选用226。下位机的功能是实现对各栋温室环境参数的检测与控制，通过温度、湿度、CO2浓度、光照强度等传感器将模拟量信号经EM231模块转换成数字信号，把这些数据暂时储存起来并与相应的给定值进行比较，经过控制计算，发出相应的控制信号来控制加热系统、通风系统、帘幕系统、CO2施放装置、喷灌系统等执行机构的动作，实现对温室环境的调控，以满足温室内作物生长发育的需要。上位机通过串行通讯接口分别读取各个温室的数据，并完成数据的统计分析、显示、编辑、存储以及打印输出等操作。控制系统的原理如图1所示。 2 硬件系统设计
2.1 系统的主电路和控制电路
主电路主要是通过交流接触器、继电器来对风机电机、湿帘潜水泵、遮幕电机、天窗电机等实现控制，图2为部分主电路原理图。为提高系统的可靠性，采用手动和自动控制两种模式，供使用者自由切换控制电路。以内遮阴电机控制电路（如图3所示）为例，手动控制模式由旋钮开关来手动控制遮幕机的张开或收缩；而采用PLC进行自动控制，可通过PLC程序控制PLC输出点信号的通断来控制1KA1和1KA2，从而自动控制遮幕机的张开或收缩。
2.2 PLC外部接线
根据温室控制的功能要求，进行PLC的I/O地址分配，然后画出CPU226的外部接线（如图4所示）。输入端将采集到外界的信号输送给PLC，通过PLC程序运行，输出端根据输出信号控制相应的接触器，从而控制风机—湿帘系统、喷灌系统、补光系统、遮幕系统等执行机构。传感器采集的信号一般以模拟信号输出，要将这些模拟量进行采样并输入PLC，必须先对这些模拟量进行模/数（A/D）转换。EM231为模拟量输入模块，能实现将采集的模拟信号转换为PLC能接收的数字量信号，EM231模块与传感器及PLC的连接如图4所示。
3 软件设计
软件设计包括上位机软件和下位机软件。上位机软件采用WinCC flexible组态软件进行编程，下位机软件采用STEP7-Micro/WIN进行编程。
3.1 WinCC组态软件
SIMATIC WinCC flexible是西门子公司开发的上位机组态软件，主要用于对生产过程进行监控，能提供对工业自动化系统进行监视、控制、管理和集成等一系列的功能，同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了丰富及易于使用的手段和工具。WinCC flexible是在被广泛认可的ProTool组态软件的基础上发展起来的，并与ProTool保持了一致性，可以非常方便地将ProTool组态的项目移植到WinCC flexible中。WinCC flexible具有开放简易的扩展功能，带有VB脚本功能，集成ActiveX控件，可以将人机界面集成到TCP/IP网络。
作为一款监控软件，WinCC flexible主要实现以下功能：1） 实时显示温室设备的工作状态。能够实时显示温室环境的温度、湿度、光照、CO2浓度等环境信息，并可查询历史环境参数和实时曲线。2） 设置了登陆用户、退出用户、修改密码等功能。用户通过用户名和密码可以登录系统，并通过控件来操控温室执行机构，实现温室环境的调控。3） 修改环境参数设置。可以通过设置环境参数的最高限和最低限，将被控制对象设置在合适的范围。
3.2 下位机程序设计
下位机软件设计采用西门子STEP7-Micro/WIN V4.0来实现。STEP7-Micro/WIN编程软件能完成PLC应用程序的开发，如创建用户程序、修改和编辑用户程序；也可以直接用软件设置PLC的工作方式和参数，以及运行监控等。
nlc202309020311
4 系统运行及试验分析
本控制系统通过软硬件开发、实验室模拟测试，最后在生产型温室进行安装调试。试验中系统在手动控制与自动控制两种模式下能正常工作，手动控制可以通过手动按钮实现对相应控制机构实现开启与关闭，自动控制状态下通过对待测参数控制量的设定来自动实现温室环境的控制。系统能实现环境参数的自动采集，实时显示并自动记录温室环境温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因子。试验期间，PLC系统运行可靠，硬件系统没有出现任何故障，软件系统也正常运行。各执行机构按照设定的温湿度值适时准确动作。在上位机与下位机通过串行口通讯期间，没有发生通讯中断、系统无法运行等状况。试验结果表明，将系统应用于温室控制系统工作正常，性能稳定可靠。
5 结论
针对现代温室所存在的问题，采用PLC和WinCC组态软件技术开发温室智能控制系统。自2010年运行以来，系统硬件运转正常，性能稳定可靠，软件系统人机界面友好，操作便捷，适合在温室控制系统中应用。
参考文献
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[2] 张伏，王唯，张亚坤，等.PLC和MCGS组态软件在温室控制中的应用[J].农机化研究，2014（10）：205-208.
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[4] 陈国辉，郭艳玲.基于OPQ的日光温室控制系统软硬件方案研究[J].林业机械与木工设备，2005，33（3）：17-19.
[5] 吴小伟，史志中，钟志堂，等.国内温室环境在线控制系统的研究进展[J].农机化研究，2013（4）：1-6.
[6] 刘永华，姜秀玲.电气控制与PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[7] 阳胜峰，吴志敏.西门子PLC与变频器触摸屏综合应用教程[M].北京：中国电力出版社，2013.
Abstract： In the greenhouse environment， to control environmental factors， such as temperature， humidity， light， CO2 concentration etc.， is the key of achieving high yield， high quality and high efficiency. This article expounds a design of an intelligent greenhouse control system based on PLC， this system uses WinCC configuration software as PC programming software， uses PLC as controller. It has friendly interface. Its stability and performance are reliable， and its price is reasonable. It can realize the automatic control of the environmental factors in intelligent greenhouse.
Key words： control system； PLC； WinCC configuration； intelligent greenhouse
温室温度智能测控系统的设计 篇3
在现代农业中, 温室已经不是单纯用于为作物升温的设施, 而是根据作物的要求来调节或保障作物生长条件的设施。其中, 对温室温度的调节为主要因素之一, 无论是升温还是降温, 都需要相应的设施。冬季温室内温度过低时, 仅利用太阳能来升温明显不足, 因此温室内必须增加加热设备来升温;夏季太阳能又过分充足, 温室温度过高, 使温室的降温和植物的光合作用对阳光的需求形成矛盾, 因此必须增加制冷设备来降温。
国外温室的内部设施已经发展到比较完备的程度, 并形成了一定的标准。国内有关温室环境测控方面的研究起步较晚。目前国内的温室测控设备, 无论在智能化程度还是控制策略方面都不能和发达国家相比, 而进口的测控设备由于能耗大、价格高并不能完全适应我国农业生产的要求。因此, 开发符合我国国情的温室温度智能测控系统, 对提高我国温室产品质量、温室经济效益和生产现代化水平具有重要意义。
本文立足国情, 基于我国不同类型温室经营者的经济和技术水平, 研制开发出一种价格适中、扩展性好的多因子温室温度智能测控系统。其主要是根据外界环境的温度、湿度、光照以及风速、风向、雨量等气候因子, 基于温室专家系统和用户参数设定, 通过一些控制措施来调节温室内的温度, 创造出适合作物生长的温度, 即根据作物不同生长阶段的需求制定出检测标准, 通过对温室温度的实时检测, 将测得参数进行比较后自动调整温室各个控制设备状态, 以使温室温度符合既定要求。它能够有效地改善农业生态、生产条件, 促进农业资源的科学开发和合理利用, 提高土地产出率、劳动生产率和社会、经济效益。
1 系统整体框图
温室生态环境优良的依据, 是按不同植物生长的要求进行统筹优化后制定的。由植物生长不同阶段的需求制定出监测的标准, 对温室温度环境进行监测, 将测得参数进行比较后进行调整。
温室温度智能测控系统主要由以下几个部分组成:
(1) 温度信号采集电路:主要通过传感器DS18B20进行温室温度检测。
(2) 信号处理部分:核心元件是单片机AT89C52, 整个系统主要是通过AT89C52按照所编的程序进行相应控制的。
(3) 输出及控制部分:主要控制升、降温电路, 声光报警电路, 还有控制遮阳网、喷雾系统、水幕墙系统、窗的开关等系统的电路。
系统整体框图如图1所示。其主要的工作原理为:系统由温度设定按键来调节预设温度, 通过温度信号采集电路测得温室内的温度, 将数据输送到单片机AT89C52中, 然后按照所编程序进行实时决策, 对各参数进行实时控制、调节, 输出控制参数, 驱动执行元件, 以满足作物生长需要。
2 系统硬件组成
整个系统硬件部分主要包括核心元件AT89C52、温度信号采集电路 (主要通过传感器DS18B20进行温室温度检测) 、加热电路、降温电路、声光报警电路、温度设定按键、LED显示电路等。现对主要部分简要介绍如下:
2.1 单片机AT89C52
我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C52, AT89C52是一种低功耗、高性能的8位单片机, 片内带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器 (EPROM) , 它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器 (NURAM) 技术, 而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。AT89C52是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机, 它可方便地应用在各种控制领域。
2.2 温度传感器DS 18B20
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种数字化单总线器件, 属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比, 它能够直接读出被测温度, 并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口, 测量温度范围为-55～125℃, 在-10～85℃范围内, 精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输, 用符号扩展的16位数字量方式串行输出, 大大提高了系统的抗干扰性。
2.3 预设温度按键
为了能设定不同的预设温度, 所以设计了2个按键来改变预设温度。用按键UP来升高预设温度, 用按键DOWN降低预设温度。当有按键按下时指示灯就会亮起来, 从而能形象且简单地达到预定的效果。
2.4 LED显示
为了更加直观的了解系统的工作情况, 给系统添加了三位LED显示器。用来显示当前温室的温度。其中包含:十位, 个位和小数位。
LED显示屏由于亮度高, 是主动发光器材, 不受环境影响, 使用寿命长, 个别像素损坏可维护且不影响全局。虽然它的点密度不高, 不适合近距离观看。但是已经能足够达到所需目的, 而且价格便宜, 降低了成本, 所以选择LED的显示设备。
2.5 升降温设备
系统温度调节使用弱电控制强电的原理, 通过继电器来控制升降温设备。由于升降温设备在设计的时候比较麻烦, 所以在模拟时可用2个发光二极管来代替 (用红色管来代替升温设备, 用绿色管代替降温设备) 。这样也能更加形象的观察到系统的工作情况。
2.6 声光报警设备
当系统检测到温室温度到了所设定的最高值时, 声光报警设备就自动工作, 提醒工作人员必须立刻对温室进行相应的维护。声光报警设备不仅仅是专门对温度测量设计的, 当遮阳棚、喷灌设施或者是通风窗等设备出现不正常情况时也进行报警。由于单片机只是输出高低两种电平, 所以在蜂鸣器前加上一个音乐芯片, 从而达到声光报警的作用。
3 系统软件设计
用单片机对温室温度进行控制就必须要有实现对应功能的程序。本程序是通过C语言来编写的, 其中包含一个主程序和几个子程序。子程序有显示程序、键盘扫描程序、温度读取程序和延迟程序等。所有硬件及检测过程都由软件来控制, 最终能够实现温室温度的实时采集与处理。程序采用模块化设计, 将一个复杂应用程序按整体功能划分成若干相对独立的程序模块, 各模块可以单独设计、编程、调试和查错, 然后装配起来联调成完整的程序。主程序运行过程中对子程序进行对应的调用, 从而达到对温室温度的控制。
3.1 系统的功能
系统软件实现的功能主要有两部分:监测和控制。
(1) 读入各传感器的测量值, 并传送给单片机, 如需要, 将测量数据存入大容量的掉电保护存储器中, 即使停电也不会丢失数据。
(2) 按照对温室内作物选定的生长环境曲线, 并根据当时的光照、温湿度等实际情况, 对温室内的温度进行在线最优控制, 求得在保持作物生长的条件下, 使系统的能耗、水耗达到最少。
(3) 可以根据不同的需要及不同的季节改变DDC参数值, 并可在数据库中保存几组设定值, 以备使用。
(4) 根据测量值及相应生长期的各个温度的最高、最低值, 自动控制相关设备的打开和关闭, 当测量值大于最高值或者小于最低值时, 除打开相应设备外, 还应启动报警设备, 提醒工作人员注意。
3.2 系统流程图
本系统采用自上向下的结构化设计方法来表示算法, 系统启动之后通过按键对预设温度进行设定。系统启动的同时, 温度传感器也开始了对温度信号的采集。按照AT89C52中的程序进行比较控制。其程序流程图如图2所示。
系统运行后, 首先进行初始化, 包括为存放各通道检测的数据开辟缓冲区、设置环境报警和控制极限值, 并完成对中断入口、有关芯片和定时器的初始化操作等。转入循环体后, 完成各路信号的巡回检测, 经分析处理后转向相应控制与报警。在程序执行过程中, 系统随时检测外部中断和定时器中断发出的中断请求信号, 一旦有中断申请则转入相应服务程序, 否则返回显示时钟状态。
4 结语
该温室温度智能测控系统集传感器技术、测控技术及单片机技术于一体, 除了具有参数显示、控制及报警功能外, 用户还可以根据不同作物在不同生长期对环境的不同要求, 灵活方便地利用功能键对目标控制及报警参数进行重新设定或现场修改。该系统具有控制智能化、成本低、扩展性及抗干扰性强等特点, 投入使用将会带来较好的经济效益和社会效益。
参考文献
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谈谈智能建筑工程中建筑电气技术 篇4
关键词：智能建筑 建筑电气技术 弱电技术 建筑设计
随着智能建筑的不断发展，建筑物内部的电子设备的种类不断的增多，设计也日趋复杂化，建筑电气技术保证了所有设备互不干扰的正常运行，因而在智能建筑领域得以广泛使用。
一、建筑电气技术与智能建筑的概念
建筑电气技术是以电气工程技术为基础，融合了电子技术、电工技术、控制技术与信息技术的一门综合性、多元化的应用技术。它具有电气工程的明显特征，同时又吸收了不同专业不同领域的知识和信息，因此难以将其简单的划分到电工、电子、信息或控制类别中去。建筑电气技术的内容贴近时代又极具实用性，在我国当代建筑领域，尤其是智能建筑领域有着广泛的应用。
二、建筑电气技术在智能建筑中的作用
智能建筑建立在建筑技术的基础之上，将信息技术与建筑技术进行有机的结合的产物，但其具体功能的实现却离不开建筑电气技术。智能建筑需要依靠数量庞大的电子设备才能实现其全部建筑功能。而想要维持这些电子设备正常运转，就离不开布线技术、电源技术、屏蔽技术、抗干扰技术、防谐波技术、防静电技术以及防雷与接地技术等多项电气技术的支持。可以说，在相关的多项电子技术的背后，建筑电气技术才是保障智能建筑基本功能全部实现的基础。
智能建筑中采用了数量众多的弱电系统设备，在此类设备的设计、安装于施工过程中，均离不开建筑电气技术的支持。由于弱电设备之间存在着一定程度的干扰现象，而在智能建筑中，弱电设备的种类和数量都远远高于普通建筑，如果依旧对每套设备进行独立安装，不仅是对人力物力的大量浪费，更主要的是，大量设备之间的成复杂干扰会造成众多设备无法正常运行。而使用建筑电气技术对电子设备的安装进行有计划的安排，不仅可以保证设备的正常工作，减少安装过程中对资源的损耗，还能够让降低设备运行过程中的能源消耗。
在电子监控技术方面，建筑电气设计摒弃了老式的计算机集中监控以及集散式控制的办法，转而研发新技术，开拓新领域，在现场总线系统模拟、以太控制网络开发、网络的集成控制以及各种新兴的计算机操作技术在监控领域的应用中做出了突出贡献，大大推动了智能建筑监控技术的发展。
与监控技术结合最紧密的便是安全防范技术。在安防技术发展的初期，安全防范系统中包括电视监控、通道控制、入侵报普、人员巡查、无线对讲、边界防越等子系统均是各自独立的，相互之间的信息交流有限，难以在同一时段内做到对智能建筑进行全面的监控。而当代建筑电气技术已经实现了子系统之间的联动协作，大大提高了安全防范系统的严密度、可靠度和实时度，为智能建筑提供了良好的安全保障。同时，随着各个子系统的相继数字化，整个安全防范系统也不断向着数字化、规模化、综合化的方向发展。
智能建筑是为人们的办公和生活提供便利的人性化建筑，所以发达而完善的通信网络是智能建筑中不可缺少的设施。智能建筑中的通信网络主要包括计算机网络、电话通信网络和双向有线电视传输网络等。而网络的布设和网络间的信息传输离不开建筑电气技术的支持。新兴的以太网络传输技术以其灵活的布线技术、优越的使用性能、高效的传输速率、方便的维护手段和合理的安装价格成为了当代应用最广泛的网络通信技术。通过采用以太网络进行数据传送，极大地促进了智能建筑内部的信息交流，为人们的工作和生活提供了方便。
三、建筑电气技术在智能建筑设计中的应用现状与发展趋势
在智能建筑兴起之前，建筑电气技术就已经在建筑领域得到了广泛的应用。在传统的建筑中，建筑电气技术应用的方向众多，但是由于传统的建筑中很少会同时使用到多种弱电设备，使得建筑电气技术的应用较为独立，很少会遇到需要协调不同弱电设备运行的技术问题，令建筑电气技术缺少系统间协调配合的经验。但随着科技的发展，弱电设备的结构与功能不断地复杂化，加之智能建筑的逐渐兴起，传统建筑电气技术使用方式复杂、节能效果不佳、管理效率低下、安全性不高限等缺点开始不断显现出来。智能建筑需要使多种使用功能得以共同实现，因而温控设施、空气调节设施、给排水设施、供电设施、照明设施、运输设施通信设施和安保设施等，均要实现安全可靠的不间断运行，就要求建筑电气技术解决所有设施的供电问题和设施间协调运行的问题。因此，现代化的建筑电气技术不断开拓创新，开发出了现场控制总线技术、以太网络传输技术、弱电技术、强电技术等多种实用高效的新型技术，保证了智能建筑内部的各项功能得以完整实现。
四、建筑電气技术在智能建筑设计中的注意事项
建筑电气技术在智能建筑的设计中应该注意遵循以下事项：
1.经济方面
建筑电气技术在智能建筑的设计中要遵循经济实用的原则，做到经济节约、技术可靠、质量过关。在实际的工程中，建筑电气设计的方案应符合智能建筑的发展趋势，合理选用新技术，保证技术的安全可靠，选用经过检验的合格产品，利用新型的技术来简化系统的设计，从而减低工程造价，保证经济上的合理，降低投资的成本。
2.设计方面
在对智能建筑进行建筑电气设计时，应该做到脚踏实地、实事求是，不能盲目追求不可能达到的目标。智能建筑的功能全面、设施复杂，对设计和管理的要求较高，不同设备均有自身的缺点和局限性，功能和性能上也有着一定的差别，想要盲目追求最新和最全是不切实际的。若片面的追求设备的先进和功能的齐全，不仅在设计上会存在意想不到的难题，还会加大项目实施的难度，并抬高投资成本，增大运行所需的费用，造成了资源的浪费，却难以达到预想中的效果。合理的建筑电气设计应该从每个项目的基础出发，选取适合的设备和系统，采用恰当的技术，保证设备和系统的功能得以充分发挥，不仅能够满足智能建筑的设计要求，也降低了运行管理的难度。
3.质量方面
首先，在工程的每一个阶段都应认真审阅和校对设计图，确保工程的每一个细节都准确无误。其次，操作的过程要严格遵循电气施工质量规范，采用合格的材料和设备，严禁使用伪劣产品，保证工程的安全可靠。
智能温室电气工程设计 篇5
温室环境测控系统的工作原理就是根据温室内外装设的各种传感设备采集或监测信息,然后传递给处理设备进行分析与处理后,控制其执行机构对温室的环境进行自动调节与控制,以达到为作物的生长发育创造最佳环境条件的目的[1]。
1 目前智能温室环境测控系统控制器分析
由于处理器核心技术的不断进步,温室控制系统处理器的处理能力也在飞速发展,种类也在不断增多。资料显示,目前的温室控制系统结构中,在核心处理器的选择上[1],主要采用以下几种:
(1) 工业控制机
在这种温室控制系统中其核心处理器是以工业控制机为中心的。其余2个模块:一个主要由用于环境因子采集的各类传感器组成;另一个模块主要由各种执行机构组成。控制系统的主要特点是多输入和多输出闭环控制,所以硬件的开发量比较小,软件组态方面也比较方便,市场很容就能够买到所需要的硬件及软件。工业控制机的一个显著的特点是具有标准通信接口,因此很容易实现温室的群控和网络化。其缺点是:一方面是成本较高,因为工业控制机及相应的组态软件都需要购买;另一方面是集中控制,如果核心的工控机发生了故障,那么将导致整个系统运行遭到破坏。而且在这种以工控机做为控制器的结构中,在进行系统的布线时由于多入多出结构的特点,线路铺设相当复杂,如果出现了问题在维护起来也十分不方便。
(2) 单片机
在这种控制系统中其性能的好坏主要由所选用的单片机所决定。其主要特点是单片能够对全局环境进行控制和管理,对使用者的素质要求不是很高,操作起来也十分容易,而且投资成本较低。但是在系统搭建时其线路的铺设十分复杂,出现故障的几率也是相当的高,因此系统的可靠性必然受到影响;一般还是通过模拟量或开关量进行信号的输入、输出,自动化程度比较低。
(3) 可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器[2]是一种通用的自动控制装置。这种装置的主要特点就是将传统的继电器技术和先进的计算机技术、通信技术等融为一体。运算能力方面能够进行复杂的逻辑运算和算术运算。其控制能力方面相对较强,对于温室环境系统来说,它能够满足长期连续的工作和高效率的控制需求;在系统稳定性方面,系统性能稳定,因此可靠性比较高;在操作方面,比较灵活,而且操作方法比较简单。缺点是不能独立进行控制需要和上位机进行联合,因此在资金投入方面很大,普通的农业用户在经济能力上无法承受。
(4) 嵌入式控制器
嵌入式控制器是由通用CPU[2]演化而来的,随着嵌入式系统的快速发展,应用领域也不断扩展。再加上其“专用”的特点,在温室控制系统中的应用在日趋增多。
2 专用CPU的设计
虽然微处理器的技术在飞速的发展,处理能力也在不断的增强,从4、8、16、32至 64位,但通过调查发现,16位的微处理器经历了这么多年的发展之后,生命力依然十分旺盛,在市场上具有相当高的占有率。与从16位机迅速的向32位、64位过渡的通用的计算机相比,16位微控制器从诞生至今,虽历经了从单片微型计算机到微控制器、微控制器到SoC的变迁[3],但在嵌入式领域16位机依然是中低端应用的一种主要机型,而且在未来相当长的一段时间内,这个势头仍然会持续下去。因为这是由嵌入式系统和通用计算机系统的完全不同的应用特性决定的,所以其技术发展道路走向是完全不同的。根据智能温室测控系统[4]的特点,在最大限度地满足数据的采集、控制、可靠性和低功耗等品质的要求下,16位机具有很强的速度潜力,因此本所设计的专用CPU为16为CPU。作为智能温室环境测控系统的专用CPU,一方面它和通用的CPU相比具有很多的共同特性,另一方面具有它在农业温室控制系统领域的特殊性[5]。
2.1 专用CPU的组成结构
图1是一个16位的采用了RISC思想的单总线CISC CPU处理器结构。
此CPU单独设置了一个8段的流水FLOAT(浮点型运算器)、一个ALU(定点运算器)、一个PcCount(程序计算器)、一个InstrReg(指令寄存器)、一个Shift(移位运算器)、一个ComP(单比较器)、一个Compn(比较器组、n为可扩充)、一个Controller(控制单元)、一个AddrReg(地址寄存器)和八个Reg0…Reg7(16位寄存器组),它们共用一组16位的三态数据总线。其工作流程和通用CPU相同,不同的专用寄存器保存指定的内容,指令的执行分顺序和转移两种方式。
该结构中有专门针对于智能温室测控系统而设计的一个浮点运算器和n个Comparray比较器[3]。一方面由于本智能温室环境测控系统的一个很重要的功能就是硬件实现智能控制方法,同时运算模块主要对由采集模块所采集的环境因子进行比较分析和处理,而所采集数据通常是浮点数,所以本文在CPU的运算单元中增加了单独的浮点运算器;另一方面因为在智能温室测控系统中要随时对温度、湿度、CO2浓度等数据与作物生长的最佳值比较[6],如果数值超越了警戒线,就要采取措施。为了提高处理速度,方便比较,该结构中放置了比较器组,会把最常用的值在不同的比较器中固化,不但节省了取操作数的环节,而且也节省了时间。
2.2 比较寄存器组的设计
Comparray比较寄存器组是专门针对于智能温室测控系统设计的。在智能温室测控系统中要随时对温度、湿度、CO2浓度等参数与作物最佳生长值比较,如果数值超越了设定值,就要采取措施。该结构中放置了多个比较器,主要是为了方便比较,因此会把经过时间测试或专家提供的最常用的作物生长不同阶段的标准值在不同的比较器中进行固化,这样减少了取操作数的环节,自然就节约了时间。比较寄存器组的结构如图2所示。
在这个比较器组中只列了3个比较器,分别比较CO2浓度、湿度、温度,在智能温室控制系统中还有,光照强度、PH值、EC值、室外气象值、光合作用等,这里只是用这3个值作为示例。Comparray就相当与一个选择器,来分别选择比较寄存器组中的寄存器,这里设置了3个比较寄存器,当然也可根据需要进行增减。
3 浮点运算器的设计与仿真
本专用CPU设置浮点运算器的目的是要将智能控制算法在CPU内集成。而此浮点单元在进行复杂的算术逻辑运算时,主要设置了状态机,通过状态机[6]对浮点运算单元的各个子模块进行调用,从而实现运算。本浮点运算单元的子模块主要有:加减法运算器、乘法运算器和除法运算器。它们之间的协调与配合是在总控状态机的负责下进行的,总控制状态机首先根据情况启动各个运算子模块使其进入运算状态,当运算结束后总控状态机会收到运算结束的反馈信号,并且将结果存入指定寄存器中,或用于输出或用于下一次运算。下面对各个子模块进行分别设计:
3.1 加减法器的设计与仿真
浮点加减法运算模块电路原理如图3所示。主要由6个模块构成,分别是Subcell模块、exchange模块、move模块、M_add模块、standar模块、cntrl模块。
功能仿真如图4所示。
3.2 浮点乘法器的设计与仿真
浮点数乘法器的基本思想是符号与数值分开处理,2个操作数符号的异或为结果的符号,对于数值的处理采用的是取底数相乘、指数相加减的方法,然后对结果进行规格化处理后,再调整指数。按照浮点数的乘法步骤解释程序如下:
(1) 零操作数判断
如果两个操作数中只要有一个操作数是0,则结果为0:
若q的值为1,则执行完下面的程序后就就跳出进程:
若q的值为0,则程序就继续执行一下操作。
(2) 运算结果符号位判断
运算结果符号位主要是由两个操作数的符号决定,而其实现主要是通过一个异或门电路得到,程序如下:
(3) 幂相加和尾数相乘
(4) 规格化与舍入处理
当以上3步运算结束后,要对最高位进行判断,从而决定是否需要进行规格化,采用直接舍入法进行处理。
浮点乘法运算的功能仿真如图5所示。
3.3 浮点除法器的设计
除法器的VHDL核心处理代码如下:
功能仿真如图6所示。
4 结 语
针对温室环境控制的功能特点,在CPU中设计了可扩充的环境值比较器组。用来对采集的单个环境值与标准值进行比较,不但节省了存取数据的时间,也提高了温室环境测控系统的系统效率;单独设置了浮点运算器使得此专用CPU可以对智能控制算法的硬件集成提供良好的支撑,使得无PC的参与、无庞大专家数据库系统的支撑,同样具有反应专家知识的功能。
摘要：智能温室是近年逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展技术,目前国内大多以单片机、通用计算机作为温室系统处理器,由于基于单因子和成本问题,其智能化和效率有待提高。在此通过对目前智能温室控制器的分析研究,提出并设计了一款16位的的单总线专用CPU,且专门针对于智能温室测控系统设计了一个浮点运算器和n个Comparray比较器,并使用VHDL语言在QuartusⅡ6.0中进行设计与仿真。所以,该CPU不但具有通用CPU的基本特性,而且更具有在农业温室控制系统领域的特殊性。
关键词：测控系统,专用CPU,Comparvay比较器,VHDL语言
参考文献
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智能温室电气工程设计 篇6
一、日光温室卷帘机电气控制存在的问题
卷帘机主要由机架、电动机、减速器、钢管、支架及电气控制等部分组成。工作时由电动机、减速器带动钢管匀速转动, 利用钢管缠绕绳索将草帘 (或棉被) 卷起。目前, 大部分的温室都采用倒顺开关直接控制卷帘机卷铺草帘。上卷时, 将开关拨到“顺”的位置, 卷帘到预定位置时, 再将开关拨回“关”的位置;下铺时, 将开关拨到“倒”的位置, 草帘铺到预定位置时, 将开关拨回“关”的位置。这种控制方式存在着两方面问题:
(1) 缺乏限位装置。草帘的停放位置由操作人员凭经验来确定, 由于人的疏忽往往会出现没卷到位, 草帘堵住通风口无法进行通风排湿;卷过了位, 卷帘机、草帘等会一起越过后墙翻倒下去造成严重的后果。
(2) 没有过载保护。由于雨、雪等因素使草帘重量增加, 卷帘电动机因载荷过大无法继续工作, 又没有及时切断电源, 造成卷帘机空转, 电流增大、电机发热, 最终烧毁电动机。
二、卷帘设备自动化控制装置的改进
为解决日光温室卷帘机控制存在的问题, 我们对其控制装置进行了改进设计, 重点是增加限位控制。
1.限位控制
限位控制的改进主要是在主接触器的自保回路中串入运行机构的极限位置行程开关。当运行机构达到极限位置碰撞限位开关时, 就断开自保回路, 使主接触器释放, 切断电源, 运行停止。为了使农民更放心、更安全使用卷帘机, 采用了电气限位与电机限位双重控制。
(1) 电气限位
在草帘停放的上下位置装设电气限位开关 (图1) , 采用按钮一交流接触器的常规控制与限位控制相结合。
工作原理 (图2) :当按上卷按钮SBQ1时, 交流接触器KM1线圈得电工作, 所有的KM1常开触点闭合、常闭触点断开, 同时切断KM2线圈回路, 这时卷帘机正转, 指示灯ZD亮。当碰撞上限位开关SQ。或者按停止按钮SBT1时, KM1线圈失电, 卷帘机停机;按下铺按钮SBQ2时, KM2线圈得电工作, KM2常开触点闭合、常闭触点断开, 并切断KM1线圈回路, 卷帘机反转指示灯FD亮。当碰撞下限位开关SQ2或者按停止按钮SBT1时, KM2线圈失电, 卷帘机停机。这里值得注意的是:KM1线圈和KM2线圈不能同时工作, 否则相线与相线之间短接, 造成电力事故。所以在KM1线圈回路中串接KM2常闭触点, 在KM2线圈回路中串接KM1常闭触点, 目的是让KM1线圈工作时, KM2线圈回路因KM1常闭触点断开, 而不能工作;而KM2线圈工作时, KM1线圈回路因KM2常闭触点断开, 也不能工作。
(2) 电机限位
选择DWPS (V) 型减速电机其输出轴的一端带有限位装置 (图3) 。两组限位保护开关封装在有抽板的接线盒内。接线盒内的限位碰柱在轨道上通过摩擦作往复滑动。使用时, 松开碰柱上的固定螺钉, 可以拨动碰柱使其远离或靠近限位开关, 调节碰柱与限位开关间的行程来实现限位。
. (2) 增设热继电器
通过热继电器FR (见图2) 实现过载、过热的保护, 当电机发热时热继电器能及时切断控制电源, 使得电机停止运行, 从而达到保护电机的目的。
三、结束语
通过以上改进, 实现了利用电气保护方式控制卷帘机, 实践证明, 使用改进的控制装置操作方便;使用安全, 得到种植户的认可。
摘要：针对日光温室卷帘机电气保护中存在的问题, 设计并改进了电气限位和电机限位装置。采用该装置可以有效地提高管理日光温室大棚工作效率, 延长作物采光时间, 且该装置成本低、适用面广, 有着广阔的市场和发展前景。
关键词：日光温室,卷帘机,限位控制
参考文献
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[4]潘文维, 罗庆熙, 李军.我国温室产业现状及发展建议[J].北京园艺, 2002, (3) 。4-5.
智能温室电气工程设计 篇7
1 系统框架分析
温室智能监控系统主要分为三个组成部分, 分别是温室的现场监控子系统、温室的远程监控子系统以及数据库, 这三个部分之间是相互独立的, 且每一个子系统的操作性和扩展性良好, 对这两个子系统的设计进行具体研究如下:
1.1 现场监控子系统
现场监控子系统的设计基础为C/S架构, 其以现场监控的计算机为基础, 在现场监控计算机上安装监控软件, 在温室分布CAN总线, 并采用CANOpen协议, 通过此协议以及分布的CAN总线采集温室相关数据以及控制系统的相关通信, 从而实现采集温室中的环境因子, 并有效控制温室环境控制设备。在现场监控的计算机监控软件中存在两个模块, 一个是温室环境数据信息的输出模块, 一个是温室环境数据信息的输入模块[1]。第一, 输入模块:传感器能够收集到温室的环境信息, 温室内环境信息主要有温室内的湿度、温度、太阳辐射强度等, 温室外环境信息主要有空气温度、风向、湿度、光照强度以及风速等, 输入模块会通过传感器获取这些信息, 并将这些信息由现场分布的CAN总线发送到计算机上, 温室现场监控的计算机会收集这些信息并经过一定的转换以具体数值的方式显示出来, 同时将这些信息存储到数据库中;第二, 输出模块:温室现场分布的CAN总线能够将计算机上运行的监控软件发出的控制信号传送到输出模块, 输出模块根据控制信号及命令操控继电器进行相关动作, 以此来实现温室环境的调节, 例如通过风机、遮阳网、空调等设备来调节温室温湿度、太阳辐射强度等。除可以现场调节温室环境之外, 现场监控子系统还能够查询、导出相关数据, 并对温室进行视频监控以及与远程监控系统协同同步控制相关设备状态。
1.2 远程监控子系统
远程监控子系统的设计基础为B/S架构, 其共分为三个组成部分。第一, 数据获取层:其主要功能是获取温室环境的相关信息;第二, 逻辑应用层:其主要功能为下达温室环境的相关控制命令;第三, 表现交互层:其主要功能是提供交互性的控制逻辑, 远程获取、监查、控制温室环境信息。
远程监控子系统有着温室环境信息的实时和异地查看功能、设备远程控制功能、温室远程视频监控功能等。即使管理人员或科研人员身处异地, 也能够实时了解温室环境状况, 并采取相应监控手段, 打破了温室监控的地域、空间和时间限制[2]。
2 系统的实现及技术
2.1 信息的采集和处理
现场监控子系统的主要功能是采集和处理温室环境实时数据, 在温室环境实时信息采集过程中, 要注重这些信息的准确性, 否则会影响到温室环境的调控以及建模。现场监控子系统对温室环境相关数据信息采集的准确性会受到传感器精度、电路性能等多方面因素影响, 这就需要对采集到的信息进行平滑处理。首先用分布图法剔除温室环境数据序列中的离异值, 避免因数据传输过程中故障以及传感器故障等因素产生的离异数据影响到数据信息的准确性;第二, 由于温室环境因子多是低频信号, 因此在温室环境数据信息的采集过程中还要滤除高频信号, 这需要设计一阶滤波器来滤除高频信号, 保证采集温室环境数据信息的准确性。
具体来说, 将温室环境数据信息的采集周期设定为1s, 存档周期设定为30s, 这样就会产生30 个样本数据, 对这30个样本数据采取分布图法来去除误差较大的离异值, 之后再通过一阶滤波器来滤除高频信号, 从而采集到准确的温室环境数据信息, 降低数据信息采集的误差。
2.2 数据的异步交换
在远程监控子系统中, 不仅要查询和分析历史数据, 同时还要显示当前温室环境数据及设备状态信息, 之后进行设备控制、参数设置等相关操作, 这就需要交换异步数据。Ajax技术的应用能够保证异步数据交换的稳定性和流畅性, 且有着较高传输效率, 不会对服务器造成太大负担, 从而实现温室环境实时数据的更新。
2.3 相关设备的控制
2.3.1 设备状态的同步
无论是现场监控子系统还是远程监控子系统都要求具备相关设备状态的控制功能, 这就涉及到设备状态控制的同步性问题。当其中一个子系统完成设备状态的控制调节后, 要告知另外一个子系统, 以此来实现设备状态的同步、一致, 从而保证温室环境控制的准确性和安全性。而实现远程监控子系统和现场监控子系统设备状态控制的同步主要有以下两种方法。第一, Web请求:即两个子系统的Web客户端不断向总服务器发出查询请求, 来确定设备状态是否发生调节和改变, 通过不断查询的方式来保证两个子系统设备状态控制的同步;第二, 服务器推技术:即一个子系统控制改变温室环境设备状态时, 服务器主动向另一个子系统发出相关设备状态的改变信息, 以此来实现两个子系统设备状态的同步。比较而言, 服务器推技术需要安装Alobe Flash播放器, 使用起来不方便, 且一些客户端并不支持此播放器, 导致服务器推技术有着一定的局限性, 因此推荐使用Web不断请求的轮查法来实现两个监控子系统设备状态控制的同步。
2.3.2 智能控制
温室环境内各个环境因子的变化有着非线性、强耦合的特点, 当前利用混杂动态控制系统来实现温室环境的智能控制是主要趋势, 其中涉及到一个较为重要的工具, 即混杂自动机。混杂自动机有着离散的各种模式, 每一种模式与一个监控子系统对应, 从而实现温室环境的智能化控制。
3 结语
综上所述, 本文以物联网技术为基础, 从温室智能监控系统的两个子系统入手, 分析了现场监控和远程监控子系统对于温室环境的监控, 以及数据库在两个子系统中的作用。并从温室环境信息数据的采集处理、异步交换以及温室环境相关设备状态的控制等方面, 研究了基于物联网温室智能监控系统的实现, 旨在进一步推进温室智能监控系统的发展。
参考文献
[1]王纪章.基于物联网的温室环境智能管理系统研究[D].镇江:江苏大学, 2013.
智能温室电气工程设计 篇8
远程温室大棚智能控制系统总体设计过程中, 主要是以计算机的上位机以及单片机的下位机等为核心构成系统的整体。其中, 下位机主要是由执行机构、单片机以及传感器系统等构成。在温室智能控制系统中, 传感器系统是其检测输入的模块, 即对各项环境参数进行检测, 并将其适当地转换成温室智能控制要求的各种电信号, 而传感器获取环境参数的准确性, 则直接关系着整个系统测量与控制的精度。而系统中的单片机则包括五大模块, 即主控、数据通信、数据显示、输出控制以及数据采集等模块, 因而单片机具有上传、显示、存储以及采集温室环境参数等功能, 这样就能达到统一管理温室环境资源的效果。而执行机构则主要包括自动卷帘、风电机、加湿阀以及加热法等设备, 执行机构一般通过单片机进行控制, 这样就能启动一些相关的调控设备, 例如遮阳补光、降温、加温等, 从而对温室大棚中的环境以及气候等进行合理的调节。
二、远程温室大棚智能控制系统的模块设计
(一) 单片机
远程温室大棚智能控制系统中, 其核心单片机为STC12C5A60S2, 且其内核为单片机8501, 而在此前提条件下, 该系统还增加了许多其他的功能。在核心单片机中, 其内部具有复位的专用电路, 这个电路集成了MAX810, 同时也获得了P4口的功能, 而C0H则为P4口的地址。在外部中断支持模式中, 一般具有计时器唤醒、内部掉电专用唤醒、低电平唤醒以及下降沿唤醒等。另外在单片机中, 其具有一定的转换以及集成A/D的功能, 一般是在P1口进行转换, 且A/D转换器为高速的8路10位, 其转换的速度能够达到每秒25万次, 因而具有低功耗、转换高速等优点, 非常适合用作该系统设计的主控芯片。
(二) 传感器
在该系统设计的过程中, 其涉及的传感器主要有四种, 即温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器以及烟雾传感器等。其中, 温湿度传感器为DHT11数字式符合传感器;而土壤湿度传感器则采用的是简易的YL-69型;光照强度传感器则主要采用的原装芯片BH1750FVI的ROHM;而烟雾传感器则主要采用的是MQ-2气体传感器。
(三) 蓝牙模块
在该远程智能控制系统中, 一种无线电技术获得了良好的应用, 即蓝牙技术。该技术有利于通信终端设备相互之间实现简化通信, 这样一来就能迅速高效地传输各项数据, 一般通过蓝牙模块传输数据的速率能够达到1Mb/S。在该智能控制系统设计中, 采用的蓝牙模块为HC-06, 其内部设置有2.3GHz的天线, 可以灵活地调节功率, 通常其灵敏度能够达到80d Bm, 因而非常适合该系统的标准要求。
(四) 液晶显示模块
在该系统的设计中, 液晶显示器Nokia5110一般使用模块LPH7366, 这种模块特点较多, 即能够显示四行汉字, 具有84×84的LCD点阵, 与主处理器之间可以通过串行接口完成通信, 它主要有9条信号线, 包括地在内和电源信号线等。另外其还能实现多种串行之间的协议通信, 能够实现显示数据的全速写入, 传输速率达到了4Mbps, 因此无需花费时间等待。
三、远程温室大棚智能控制系统的软件设计
在设计该系统软件的过程中, 采用的主要是C语言编程模块化方式, 并将整个系统的功能划分成各个模块。在单独设计、调试、编程以及完成各个模块之后, 再对它们进行总体的联调。远程温室大棚智能控制系统由主程序、按键扫描、系统初始化、信号采集、通信、报警、控制以及显示等子程序组成。
综上所述, 通过对远程温室大棚智能控制系统的设计研究, 可以看出, 该系统的设计与使用, 能够有效地采集温室大棚中的各种环境参数, 例如光照量、湿度、温度等, 并能利用核心单片机对这些参数进行适当的调节和控制, 这样就能创造出最佳的温室大棚生态环境, 从而有利于生物的生长发育。
参考文献
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智能温室电气工程设计 篇9
【关键词】智能建筑；防雷设计；重要性
在建筑运行的过程中，雷击危害对智能建筑的影响是非常严重的，所以这也是我们应该引起重视的一个内容，此外雷击对智能建筑的安全和使用者自身的健康和安全也会产生非常重大的影响，所以必须要在工作中采取有效的措施做好建筑电气防雷设计工作。
1.智能建筑中雷电压形成的原因与危害分析
智能建筑中的雷电呀形成通常都是在大气中的水蒸气在上下气流会相互碰撞，在这一过程中产生的摩擦力会形成不同类型的雷云。因为大地当中存在着一定的静电感应，所以在带电雷云接近地面的时候雷电会和雷云产生反向的负荷，这个时候的大地和云层就比较类似一个同一极板的电容器，如果云层中的电荷相对比较密集的时候，空气中的絕缘体就会遭到一定的破坏，这样大地就必须要承受比较大的电压，当雷云当中产生的负荷和大地中的电荷正好中和了以后，就会出现比较强的电流，这种电流会破坏通信系统，同时还会对建筑物的安全构成十分不利的影响。雷过电压通常可以分成两大类，一种是直击雷过电压，一种是雷电感应锁产生的过电压，而该电压会在运行的过程中对建筑物的电力设备产生非常大的破坏，使得建筑电气设备和大地之间的绝缘体被击穿。雷电感应的过电压中，雷电主要是指高压脉冲电流，雷电冲击点附近的线路会因为电磁感应而出现比较大的脉冲浪涌，其会经过线路直接进入到系统当中，这样就可能会导致设备瘫痪性损坏，彻底失去其功能。
2.智能建筑电气防雷设计的有效策略研究
2.1结合智能建筑实况制定完整合理的防雷方案
在正式开始防雷施工之前，工作人员一定要对智能建筑的实际情况制定出一个更加科学合理的建筑防雷方案，这样就能够为工作人员在防雷施工中提供更加有利的数据支持。通常情况下完整的防雷方案都要具备以下几个方面的内容，一个是直击雷防护，一个是感应雷防护。前者主要是使用接闪杆、接闪网、接闪带和导体等做成一个框架，如果在防雷设计的过程中并没有使用接闪杆，那么在实际的工作中，工作人员需要在顶点设置一个金属网络，智能建筑中的金属导体和这个网都应该采用正确的方式连接，这样就有效的实现了防雷的目的。感应雷对智能建筑的损坏通常都是数据线直接的侵入到了电气设备当中对设备产生了破坏，这样就可以对感应雷予以有效的防护，所以在智能建筑中也应该在各种线路出口和入口的位置安装防雷装置。
2.2智能建筑中信号系统的雷电防护策略
如果出现了信号破坏的情况会直接的影响到智能建筑通信的实际效果，所以在实际的工作中一定要对信号系统采用有效的措施对雷电予以有效的防护，如果智能建筑中的信号传输线选择的是有线传输，同时在信号接收器和线路电缆之间安装了SPD，在发射设备和接受设备的末端可以安装一个SPD，同时进入主机房的电话线也应该穿过金属管将其引入，如果在实际运行的过程中使用了双绞线或者是同轴电缆上网的情况，应该在设备上安装SPD，这样才能更好的保证设备的运行安全。
2.3智能建筑中电源系统分级保护策略
首先，在智能建筑中供电系统的入口进线各相与大地间的大容量电源防浪涌保护器（SPD）之间接入第一级保护，SPD的最大冲击容量每相应在25kA以上，限制电压应控制在2400v以内，属于1级电源防浪涌保护器。其次，在智能建筑中敏感或者十分重要的用电设备的分路配电设备处的SPD位置安装第二级保护，这些SPD能够将智能建筑供电入口浪涌防护器所剩余的浪涌量吸收，就目前的保护效果来看，其对瞬态过电压有良好的抑制作用。一般建筑供电系统做好雷电二级保护就可以了。但对于智能建筑而言，还要对其进行第三级保护，即在智能建筑用电设备的内部电源部分安装一个内置式的电源浪涌保护器，从而将智能建筑中存在的微小瞬态过电压完全消除。第三级保护中所使用的电源浪涌保护器最大冲击容量每相应不大于20kA，限制电压应控制在1000v以内。
2.4智能建筑内信息网络系统的防雷保护策略
建筑群子系统。建筑物间网络连接线最好是采用光缆，光缆加强芯要与光电转换器外壳连接并可靠接地。若采用铜缆双绞线，则必须穿金属管埋地敷设，在进入智能建筑大楼的LPZ0与LPZ1区交界处安装符合通讯网络设备耐压水平要求的电涌保护器（SPD）。
设备间子系统。由进线设备，程控交换机，计算机服务器等各种主机设备及其配线设备组成，是整个布线系统的核心区域。连接进出智能建筑的通信线应采用光缆。若采用铜缆双绞线，则必须穿金属管埋地敷设并接地。在设备间各设备前端要采取二级防雷措施，最好安装通信避雷柜设备。各设备之间要进行等电位连接。
管理子系统。设置在各层配线间，由配线设备，输入/输出设备等组成。管理子系统各设备的物理连接往往是采用双绞线，需要采取二级防雷措施，安装通讯网络类SPD。
垂直干线子系统、水平干线子系统。主要是由各楼层间、同一层的插座、配线架组成的。对于较高层的智能建筑垂直干线子系统的布线最好采用光缆；无论是垂直干线子系统，还是水平干线子系，若采用铜缆双绞线，要做好屏蔽保护，走线都要穿金属管或电桥架中布设并接地。
工作区子系统。系统由工作区内的终端设备连接到信息插座的连接线缆所组成。工作区一般有电话机、数据终端、微型计算机、电视机等设备。由于从源头上对智能建筑内信息网络系统的防雷保护进行了层层设防和屏蔽，感应雷通过信息网络线再侵入工作区子系统干扰和破坏终端设备的可能性是极小的。
3.总结
如果智能建筑遭受到了雷击的影响会对智能建筑产生非常不利的影响，有可能会对其设备的正常运行造成威胁，同时还有可能会威胁到人们生命财产的安全，所以在建筑防雷设计的过程中，一定要对建筑当中的每一种线路和电气设备以及相关的线路都采取有效的措施，只有这样面才能更好的防止雷击伤害，从而也就保证了建筑内部电气设备的正常运行，从而也提高了建筑的稳定性和安全性。 [科]
【参考文献】
[1]杜俊浩.关于智能建筑电气防雷设计相关措施分析[J].青海警官职业学院，2013，8（45）.
智能温室电气工程设计 篇10
随着物联网技术的日益普及,各式物联网产品应用于衣食住行等各个领域,为人们的日常生活提供了极大便利。同样,在智能农业领域也广泛地应用了物联网技术,这些应用使农业种植变得更加简便、高效和科学。但目前这些应用系统的整体通信架构一般是基于C/S架构或传统B/S架构设计的,基于C/S架构的应用系统具有系统设计复杂、开发周期长、无法跨平台等缺陷;基于传统B/S架构的应用系统虽然能够跨平台,但它是基于HTTP协议进行通信的,并不能提供一个长连接的TCP双向通信机制。而WebSocket作为HTML5的一种新协议日趋标准化,它实现了浏览器与服务器全双工通信,在生活中得到了广泛应用,如新浪微博的评论、私信通知和腾讯的WebQQ等。本文将该协议应用到嵌入式应用系统中,使嵌入式设备与服务器之间能够基于WebSocket协议进行通信,以克服传统通信架构的缺陷[1]。
1 系统整体设计
本文设计了一个基于WebSocket协议的智能温室控制系统,该智能温室测控系统通过综合管理系统实现温室大棚的自动监测,其中包括温室内温湿度、光照度、温室通风换气系统等。如图1所示,该系统总体分为环境感知层、物理控制层和应用层3部分。
(1)在环境感知层,依靠一系列传感器精准采集温室内部和室外的环境数据,通过Zigbee网络传输给Zigbee中继节点,中继节点再通过RS232/485接口传输给嵌入式计算机。
(2)在物理控制层,光耦继电器通过RS232/485接口与嵌入式计算机连接,接收基于MODEBUS-RTU协议的控制指令,控制温室设备控制柜内的交流接触器,进而控制各个温室设备(如湿帘风机、水泵、遮阳帘、环流风机等)。
(3)在应用层,主要分为嵌入式端应用模块、Web管理系统和服务器端应用模块。嵌入式端应用模块实现了基于WebSocket协议与服务器的通信、解析控制协议、上传环境数据、自动运行等功能;Web管理系统实现了用户通过浏览器实时管理温室的功能;服务器端应用模块实现了WebSocket客户端的连接请求、客户端之间的通信以及数据的解析、存储等。
通过以上几部分的相互协作实现了一个完整的智能温室测控系统,用户可以通过手机、PC、Pad等设备的Web浏览器实时查看温室的环境数据、设备运行状况和设置温室运行参数等。
2 系统感知层
系统感知层是整个系统的基础,其作用相当于人的五官,主要包括两部分:温室内部三合一传感器和室外气象站。系统感知层可通过两部分的传感器获取更加精准的温室内外环境状况,以达到更有效地控制操作和进行温室种植研究的目的。
另外,从简化安装、便于维护等方面考虑,本系统采用Zigbee无线技术,将采集的环境数据集中传输到嵌入式计算机中。
2.1 传感器采集模块
该系统中的传感器模块[2,3]统一采用MODBUS-RTU通信协议[4],设备操作和回复都为16进制数据,默认通信波特率为:9600,8,n,1,基本通信格式为:
【设备地址】【功能码】【起始地址:2字节】【数据长度:2字节】【CRC16校验】
传感器读取、解析和发送的实现流程如图2所示。首先,创建一个线程,打开指定串口(传感器通过485网络总线形式连接到串口)并监听该串口,程序每隔60秒发送传感器查询指令,对监听串口接收的传感器反馈数据进行数据解析;接下来判断解析数据是否正常,如果不正常则丢弃,如果正常则存储下来进行CRC校验;最后将CRC校验[5]后的数据发送到LED显示器上进行显示。具体代码实现如下:
2.2 Zigbee通信模块
Zigbee节点数据采集系统主要由两部分组成[7,8],分别为数据中心和数据采集设备。其数据中心为中心主站,连接用户PC或嵌入式系统,用于接收数据;数据采集设备用于数据采集。如图3所示,该系统中的Zigbee节点采用星型网组网形式,其数据通讯流程为:电脑(或嵌入式系统)发送IO控制命令→中心主站→中继路由→目标采集设备→IO状态响应→中继路由→中心主站→电脑(或嵌入式系统)。
3 系统控制层
控制层模块主要使用16路无源光耦继电器,通过RS232/485串口与嵌入式计算机进行通信。通信协议是标准的MODBUS-RTU协议。该继电器工作模式为本机非锁联动模式,在该模式下,输入光耦与继电器直接联动,即:光耦输入信号生效→对应继电器吸合;光耦输入信号取消→对应继电器断开。通过该模式,确保了温室设备的准确运行,并能获取设备的实时运行状况。
4 系统应用层
该系统软件模块主要分为3部分:嵌入式应用模块、Web管理系统和服务器端应用模块。
4.1 嵌入式应用模块
嵌入式应用模块主要实现基于WebSocket协议建立通信、指令解析和数据封装、自动运行等功能,如图4所示。
为了实现嵌入式客户端与服务器进行WebSocket通信,该系统引用了开源项目libwebsockets。libwebsockets是一个轻量级的纯C库建成的项目。通过libwebsockets提供的API与服务器进行通信,并完成对接收数据的解析和上传数据的封装,具体实现代码如下:
4.2 Web管理系统
由于本系统需要通过Web浏览器查看温室的实时运行状况,比如当前的光、温、湿等环境数据、温室内设备的运转情况,并控制温室内相关设备等,对于该功能模块的实现,系统采用JavaScript[9]提供的WebSocket API完成与服务器的实时通信。首次访问该视图时触发JavaScript的onload函数,判断当前浏览器是否支持WebSocket协议并创建WebSocket对象;当WebSocket连接上后触发调用onopen事件处理程序,从Seesion中获取用户名等信息并发送到WebSocket服务器进行注册;接下来通过方法send和事件处理程序onmessage即可实现[10]双通道通信。具体代码实现如下:
4.3 服务器端应用模块
服务器端应用模块是基于.NET4.5 Freamwork[11,12],并引用SuperWebSocket开源框架实现的,主要功能是接收WebSocket客户端的连接,处理WebSocket客户端之间的通信以及相关数据的存储,用于建立WebSocket监听端口,以及客户端连接、断开、信息接收等触发事件,具体实现如下:
4.4 系统测试
本系统测试主要是通过手机/Pad/PC浏览器查看温室的实时运行状况,以及能否正常控制温室设备并设置设备温室运行参数等。如图5所示,通过手机浏览器登录温室Web管理系统进行实时控制和查看。经测试,本系统功能完备、运行稳定。
5 结语
本文通过分析传统B/S和C/S应用架构的不足,并详细研究了WebSocket协议的特性,设计了一套基于WebSocket协议的智能温室测控系统。该系统将WebSocket协议应用到嵌入式开发中,实现了嵌入式设备与服务器的实时通信。用户只需利用App/PC/Pad等设备的Web浏览器即能实时查看温室设备状况、控制温室设备运行并设定运行参数等,达到了很好的跨平台运行效果,具有较高的应用参考价值。
摘要：针对智能温室发展现状,引入了跨平台、易扩展的思想,将WebSocket通信协议应用到嵌入式设备通信中,结合嵌入式、Zigbee无线传输、传感器采集等技术,设计了一套基于WebSocket协议的智能温室测控系统。一方面能够简化系统开发、克服传统B/S架构不能提供长连接的TCP双向通信和C/S架构开发周期长、无法跨平台等缺点;另一方面,用户可以实时查看温室环境、设备运行状况以及实时控制情况等,并且能够获得实时温室预警等推送。实验结果表明,该系统运行稳定、使用便捷,很好地满足了温室实时测控的功能需求。
关键词：智能温室,物联网,WebSocket,嵌入式,实时测控
参考文献
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