基于ZigBee的温室大棚卷帘机智能控制系统设计

引言

温室大棚为人们在各个季节提供了丰富、新鲜的食材,提高了人们的生活水平。温室大棚通过人为控制植物生长环境的温度、湿度、光照强度等参数,促进植物生长。目前保温被操作主要由人工或简易的卷帘机实现,其中简易卷帘机在作业过程中容易发生因过载而导致电机烧坏、保温被撕烂等情况,造成不必要的损失,且农田间大量大棚需要逐个操作,非常耗时耗力。针对以上问题,本文设计了一种智能温室大棚卷帘机智能控制系统。

1系统简介

温室大棚卷帘机智能控制系统主要由卷帘机机械本体、控制器、计算机控制系统三大部分组成。其中计算机控制系统主要实现温室大棚远程网络化监测与控制功能:控制器实现计算机系统与机械本体的连接,采集传感器信息,完成控制指令操作功能。

普通温室大棚侧卷式卷帘机机械结构示意图如图1所示,该系统主要由电动机、减速器、卷轴、支撑杆等构成。其中卷轴通过RV减速器与电动机连接,RV减速器相比其他类型减速器具有传动比大、质量小、结构紧凑等优点,并具有自锁功能,防止在断电或意外停机的情况下卷轴与保温被在重力作用下向下滑动发生意外事故。支撑杆1与支撑杆2主要由普通钢管构成,支撑杆1一端较接于地面,形成转动副,另一端插入支撑杆2构成移动副。

保温被一端固定于大棚底端,另一端固定于卷轴上。其中电动机采用三相异步电动机,额定功率1.1kw,转速930r/min。电机正转,保温被上卷,实现保温被卷起作业:反之,电机反转,保温被在重力及电机驱动力共同作用下,向下滚动,实现保温被铺开作业。

当保温被受潮或结冰时,其重量会明显增加,因此在上拉保温被时可能导致电动机驱动系统过载,长时间过载可能导致电机温度升高而烧毁,减速器损毁或保温被撕烂,为了防止这种情况的发生,本设计在电机上安装温度传感器,当电机过载时产生的热量明显增加,电机温度升高,程序自动进入停机保护状态。

图1温室大棚结构示意

2控制系统设计

2.1控制系统功能

卷帘机控制系统主要由上位机与大棚端控制器组成,其中控制器主要功能有:

(1）传感器信息采集与上传功能:控制器采集电动机温度、温室大棚外温度与光照,温室大棚内湿度与温度,限位开关状态等传感器数据,并且将其上传至上位机,供上位机程序控制使用。

(2）保护功能:当电动机温度超过设定值或限位开关动作时,自动停机以保护设备:

(3）手动控制功能:解决某些特定环境(如维护、特殊天气状况下）智能控制系统无法正确控制的问题。

计算机控制系统主要为操作人员提供远程监控平台,并实时接收每个温室大棚控制器发送的传感器数据,并依据此数据进行自动化控制。

2.2控制器电路设计

为了实现自动控制,硬件电路必须具有传感器数据采集处理、通信、电机控制等功能。本文选择ZigBee通信方式,其作为常用的一种短距离无线通信方式,相对于wi-Fi和蓝牙,具有传输距离较长、网络容量高、自组网、功耗低、成本低、低速率等特点,可以满足系统控制的需要[3]。本文基于CC2530芯片实现ZigBee通信。

温湿度传感器采用单总线通信的DHT11:光照传感器使用GL5539光敏三极管:温度传感器采用Ds18B20温度传感器,测量范围为-55～125℃,采用单总线接口方式,信号不需要A/D转换而直接输出数字信号,减少了电路设计难度,并节约控制器I/0接口资源,提高抗干扰能力,被大量应用于各类常温测温系统。整个系统结构如图2所示。

3软件设计

3.1控制器软件设计

在ZigBee网络中,设备从功能上可分为3种节点:协调器节点、路由器节点及终端节点。协调器节点是网络各节点信息的汇聚点,是网络的核心节点,负责组建、维护和管理网络,并通过串口实现各节点与上位机的数据传递,本文与监控计算机相连的控制器设置为协调器。路由器节点主要负责转发数据资料包,进行数据的路由路径寻找和路由维护,允许节点加入网络并辅助其子节点通信,因此将其他控制器设置为路由器节点。

本文使用ZigBee通信传递数据,数据帧由起始位、长度、MAC地址、棚外温度、棚内温度、棚内温度、棚外光照度、电机温度、电机运行状态、CRC校验等部分构成,共14字节。

3.2上位机软件设计

根据上述要求,使用VS2010的MsC设计控制软件,其具有如下功能:

(1）根据实际情况,可手动或自动添加大棚信息:(2）使用图形化方式动态显示每个大棚的运行状态,如大棚内外温度、湿度、光照度、电机温度、电机运行状态、电机位置等,直观易理解:(F）温室大棚卷帘机远程手动控制或自动控制功能。

上位机监控软件运行主界面如图3所示。

4结语

本文通过设计控制器电路及控制软件,上位机实现了对温室大棚温度、湿度、卷帘机工作状态等数据的采集以及卷帘机的远程控制,提高了工作人员的工作效率,同时为温室大棚接入智慧农业系统提供了技术支持。