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蔬菜温室大棚智能控制系统的设计

作　者: 董文国
导　师: 张立华
学　校: 曲阜师范大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 温室控制 智能控制 ZigBee技术 DSP技术 模糊控制 无线传感器
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着“工厂化高效农业示范工程”的推进，我国的温室大棚控制系统在规模和技术上都获得了长足的发展，但在配套设施的完善程度，生产的稳定性、产业化程度和现代化水平上都还不完全具备工厂化农业的形态，尤其在温室生产环境自动控制方面，与发达国家相比，还有相当大的差距[3]。因此，研制一套适合我国国情并且具有独立知识产权的蔬菜温室大棚智能控制系统具有非常重要的现实意义。首先，可以精确控制作物的生长环境，促进农作物生长，提高产量；其次，可以提高蔬菜温室大棚环境控制的自动化水平。所以，开发一套功能完善的蔬菜温室大棚智能控制系统，具有重大的经济效益和社会意义。本文研究了温室大棚内环境的特点，然后分析了温室大棚内对作物生长有影响的环境因子，根据各因子对作物生长产生的影响，建立温室控制系统的数学模型，确定适合温室大棚控制系统的多变量模糊控制算法。对蔬菜温室大棚监控系统发展现状及需求进行了分析，并且对ZigBee无线传输技术进行了研究，利用现代测控技术、DSP技术及当今流行的物联网无线通信技术研究设计了一套蔬菜温室大棚智能控制系统。实现了对蔬菜温室大棚内湿度、温度、CO2浓度及光照强度的数据采集、数据运算处理、监控操作等任务。本文首先根据现有蔬菜温室大棚控制系统研究的理论成果及经验数据，建立了蔬菜温室大棚的温度、湿度控制模型，并对其进行了相关研究，提出了适合温室大棚控制系统的温度、湿度的多变量模糊控制算法，并通过计算及计算机仿真确定该控制算法的稳定性及实用性。然后以此控制算法作为控制系统实现的理论支撑，重点介绍了蔬菜温室大棚控制智能系统的整体功能架构及硬件系统的设计、软件系统的设计流程、整体系统的性能测试。本文介绍的蔬菜温室大棚智能控制系统，硬件系统设计包括：无线传感器节点设计、数据处理采集系统的设计、ZigBee无线组网的设计、DSP监控中心单元的设计等。重点介绍硬件系统中各模块的设计思想、具体原理电路及实现方法；软件系统设计方面：介绍了软件总体功能的设计思想，以及分析设计各软件功能模块的流程图，完成了相应控制算法和节能策略的软件实现。最后，对系统进行了性能测试，得出了较好的控制效果。并对论文进行总结，介绍了本文完成的研究成果；同时，通过系统测试，给出了系统设计的缺陷及相应的改进，并提出了课题下一步的研究方向及改进思路，为课题的进一步深入研究打下了基础。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-12
  1.1 课题的研究背景及意义  8
  1.2 国内外温室大棚控制技术发展概况  8-10
    1.2.1 国外温室大棚控制技术概况  8-9
    1.2.2 国内温室大棚控制技术概况  9
    1.2.3 温室控制技术发展趋势  9-10
  1.3 论文主要研究内容  10-11
  1.4 论文内容安排  11-12
第二章 ZIGBEE 技术应用介绍  12-16
  2.1 ZIGBEE 技术简介  12-13
  2.2 ZIGBEE 协议栈的结构介绍  13-14
  2.3 ZIGBEE 组网及路由算法  14-16
    2.3.1 ZigBee 网络分类  14-15
    2.3.2 路由算法  15-16
第三章 蔬菜温室大棚内环境的小气候建模  16-21
  3.1 温室大棚内的环境条件对植物生长的影响  16-17
  3.2 棚内小气候环境建模  17-18
    3.2.1 大棚环境各组成部分机理分析  17
    3.2.2 温室内的温湿度模型  17-18
  3.3 温室大棚内温度模型的分析  18-21
第四章 模糊控制算法在蔬菜温室大棚控制系统中的应用  21-32
  4.1 模糊控制理论的简介  21-22
    4.1.1 模糊控制的基本思想  21
    4.1.2 模糊控制系统的组成及结构分析  21-22
  4.2 温湿度模糊控制器的设计  22-30
    4.2.1 模糊控制器结构的确定  22-23
    4.2.2 模糊化  23-24
    4.2.3 模糊控制规则的制定  24-26
    4.2.4 模糊决策  26-27
    4.2.5 精确化计算  27-30
  4.3 温室大棚温度控制系统的仿真  30-32
    4.3.1 温室温度模型的确定  30-31
    4.3.2 控制系统的仿真  31-32
第五章 蔬菜温室大棚智能控制系统总体设计及硬件设计  32-48
  5.1 系统总体设计方案  34-35
  5.2 ZIGBEE 模块的选型及相关电路的设计  35-43
    5.2.1 ZigBee 模块的选型  35-36
    5.2.2 CC2430 SoC 电路原理设计  36-37
    5.2.3 CC2430 与传感器接口电路设计  37-39
    5.2.4 节点系统时钟与存储电路的设计  39-40
    5.2.5 节点系统供电电路设计  40-41
    5.2.6 节点电源管理电路的设计  41
    5.2.7 充电电路的设计  41-42
    5.2.8 节点的 CC2430 的插座及复位电路的设计  42
    5.2.9 数据汇集节点 JTAG 接口电路的设计  42-43
  5.3 DSP 监控平台的设计  43-48
    5.3.1 DSP 选型  43-45
    5.3.2 DSP 电源模块电路的设计  45
    5.3.3 DSP 串口电路设计  45-46
    5.3.4 液晶显示及键盘输入电路的设计  46
    5.3.5 程序加载模块电路的设计  46-48
第六章 蔬菜温室大棚智能控制系统的软件设计  48-56
  6.1 ZIGBEE 节点程序设计  48-51
    6.1.1 ZigBee 无线传感器节点软件设计  48-50
    6.1.2 zigBee 汇聚节点的软件设计  50
    6.1.3 低功耗程序的设计  50-51
  6.2 DSP 监控平台程序设计  51-56
    6.2.1 DSP 主程序的设计  51
    6.2.2 模糊控制程序的设计  51-52
    6.2.3 液晶显示及键盘输入程序的设计  52-53
    6.2.4 DSP 串口程序设计  53-54
    6.2.5 DSP 系统自加载程序的设计  54-56
第七章 系统测试及总结展望  56-59
  7.1 系统测试  56-57
  7.2 总结与展望  57-59
    7.2.1 工作总结  57
    7.2.2 需进一步展开的工作  57-59
参考文献  59-61
致谢  61

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统 > 计算机控制、计算机控制系统
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