一种基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法与系统.pdf

基于光温联控的日光温室卷帘机控制方法与系统，根据大棚植物对光照需求量，根据植物生长阶段设置光照强度的阈值，检测室外环境中光照强度和温度及温室内温度，通过中央处理器光温联控逻辑算法对卷帘机的开启进行控制，如果室外光照强度高于设置的阈值，且满足光温联控逻辑要求，则中央处理器发出指令对卷帘机进行自动控制，中央控制室可对环境因子进行监测，通过485总线对多个大棚进行手动控制；本发明支持光照强度敏感、实时监测、集群控制、卷帘机自动控制等功能，具有成本低、操作简单、应用范围广，运行安全的特点。

权利要求书
1.  一种基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，根据植物生长阶段所需光照强度，设置光照强度阈值；
第二步，检测温室外实时光照强度，如果大于等于所设阈值，则判断为可以开启卷帘机；如果小于所设阈值，则判断为关闭卷帘机或者不开启卷帘机保持原状态；
第三步，在判断为可以开启卷帘机后，通过温室内监测节点检测室内实时温度，同时通过室外监测节点检测室外实时温度，根据温室大棚光照强度和温度拟合关系，当室内温度达到植物光合作用所需值时，且为白天特定时段时，开启卷帘机进行补光或增温；若室内温度未达到植物光合作用所需温度，则判定为不开启卷帘机。

2.  根据权利要求1所述基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法，其特征在于，所述第一步中光强阈值根据温室内植物的光补偿点所需光强设置。

3.  根据权利要求1所述基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法，其特征在于，所述第三步中当光强达到或接近光合作用光饱和点时，根据光温拟合关系降低温度要求，但其温度不低于光合作用临界温度。

4.  根据权利要求1所述基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法，其特征在于，所述第三步中温室大棚光照强度和温度拟合关系为：
t＝6.6295+0.4779x+0.0004y
其中t为室内温度，x为室外温度，y为光照强度。

5.  根据权利要求1所述基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法，其特征在于，所述卷帘机通过限位开关单元自行控制关断。

6.  根据权利要求1所述基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法，其特征在于，操作人员根据实际情况在中央控制室直接发送卷帘机控制指令，对卷帘机直接控制，开启或关闭卷帘机。

7.  基于光温耦合的日光温室卷帘机控制系统，包括中央控制室、室内监测节点、室外监测节点和卷帘机控制模块，其特征在于：
所述中央控制室包括PC机(11)和用户交互模块(12)，PC机(11)通过485总线接收第一中央处理单元(21)和第二中央处理单元(41)数据，PC机(11)显示所传送的环境因子数据，根据实际情况，通过485总线(5)直接发送控制指令给第一中央处理单元，对卷帘机实现控制；PC机输出端连接用户交互模块(12)，所述用户交互模块(12)包括显示器、输入键盘和鼠标；
所述室内监测节点包括第一中央处理单元(21)、室内数据采集模块(22)和用户交互模块(23)，室内数据采集模块(22)包括多个室内温度传感器(221)，各室内温度传感器(221)的输出连接第一中央处理单元(21)的数据输入端，第一中央处理单元(21)的输出连接PC机(11)数据输入端和卷帘机(31)；第一中央处理单元(21)运行光温联控逻辑算法，根据实时采集信息向卷帘机控制模块发送控制指令实现卷帘机(31)的自动收放；
所述室外监测节点包括第二中央处理单元(41)和室外数据采集模块(42)，室外数据采集模块(42)包括室外温度传感器(421)和光强传感器(422)，室外温度传感器(421)和光强传感器(422)的输出连接第二中央处理单元(41)输入端运行光温联控逻辑算法，根据实时采集信息向第一中央处理单元(21)发送控制指令实现卷帘机的自动收放；
卷帘机控制模块由卷帘机(31)和限位开关单元(32)组成，卷帘机(31)接收第一中央处理单元(21)控制指令，由限位开关单元(32)对卷帘机(31)进行限位。

8.  根据权利要求7所述基于光温耦合的日光温室卷帘机控制系统，其特征在于，所述限位开关单元(32)为限位模块一(321)或限位模块二(322)，
所述限位模块一(321)包括安装在温室棚底的行程开关和安装于温室棚顶的红外对射器，所述红外对射器的自带继电器的常开触点与控制卷帘机的中间继电器串联，中间继电器的输出通过接触器与卷帘机电源相连，行程开 关的输出与第一中央处理单元(21)连接；
所述限位模块二(322)包括两组分别安装在温室棚顶和棚底的红外对射器，两组红外对射器的输出端均通过自带继电器后连接控制卷帘机的中间继电器，中间继电器的输出通过接触器与卷帘机电源相连。

9.  根据权利要求7所述基于光温耦合的日光温室卷帘机控制系统，其特征在于，所述第一中央处理单元(21)和第二中央处理单元(41)都为51单片机系列的STC12C5A60S2，第一中央处理单元(21)的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3脚为室内数据采集模块(22)数据输入端口，P3.0、P3.1扩展数据串口，接收第二中央处理单元(41)数据，第一中央处理单元(21)P2口连接用户交互模块(23)键盘输入模块，P1口8路接液晶显示屏；第二中央处理单元(41)的P0.0、P0.1脚为室外数据采集模块(42)的数据输入口，扩展出数据串口，输出数据；两中央处理单元均以485总线(5)向PC机发送光照、温度信息，PC机(11)通过485总线(5)接收数据，并对环境因子参数进行显示，通过手动控制对卷帘机进行控制。

10.  根据权利要求9所述基于光温耦合的日光温室卷帘机控制系统，其特征在于，所述卷帘机(31)的控制为：第一中央处理单元(21)通过P0.4、P0.5输出高低电平，实现对卷帘机中间继电器的通断控制，其中P0.4控制卷帘机(31)的正转，P0.5控制卷帘机(31)的反转。

说明书一种基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法与系统
技术领域
本发明属于农业现代化领域，涉及对温室卷帘机的自动控制，特别涉及一种基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法与系统。
背景技术
随着经济的不断发展和科学技术的不断进步，温室大棚的数量越来越多，而收放温室大棚的草帘、棉被是一项繁重的工作，有许多温室大棚已使用电动卷帘机收放温室大棚的草帘或棉被，卷帘机上卷和下卷需要由管理员现场看守，通常采用逐一关闭的方式，且一旦疏忽就可能造成卷帘机反转，具有劳动时间长、安全性差、强度大、效率低等缺点，同时大棚卷帘机卷死人事故也频繁的发生，因此这种卷帘机的使用方式方便、而且有危险性，满足不了现代农业高效率、自动化和安全方便快捷的要求。
近年来随着农业生产中温室大棚的大面积推广，市面上出现了许多新型的卷帘机系统，对应的控制方法比较单一，如遥控卷帘机、带限位功能的卷帘机等，但是传统卷帘机系统仍占有较大市场，其缺点主要在于需人员在大棚旁手动控制卷帘机，且不带限位功能；有一小部分带有限位功能、遥控器控制的卷帘机也需人员在场，即使可以不在场，但其未根据实时光强及室内外温度进行智能控制，同时现有大部分系统智能进行单一温室独立控制，大大降低了对集群大棚温室的管理效率。可见，现有卷帘机系统在大棚智能化趋势应用中存在着较多问题，一未根据实时环境光强与温度的相互关联性对大棚作物的影响；二不能进行智能化自动控制，大大降低了大棚温室的管理效率，增加了运营成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于光温耦 合的日光温室卷帘机控制方法与系统，充分考虑了环境温度、光强等环境因子的相关关系及对作物的影响，建立联合控制机制，实现准确判断卷帘机开启的时机；其次通过485总线向中央控制室传输环境数据，通过电脑自动控制或手动控制，通过逻辑分析，实现对卷帘机的远程控制，并以红外对射器及行程开关对卷帘机进行限位，保证卷帘机的运行安全。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法，包括以下步骤：
第一步，根据植物生长阶段所需光照强度，设置光照强度阈值；
第二步，检测温室外实时光照强度，如果大于等于所设阈值，则判断为可以开启卷帘机；如果小于所设阈值，则判断为关闭卷帘机或者不开启卷帘机保持原状态；
第三步，在判断为可以开启卷帘机后，通过温室内监测节点检测室内实时温度，同时通过室外监测节点检测室外实时温度，根据温室大棚光照强度和温度拟合关系，当室内温度达到植物光合作用所需值时，且为白天特定时段时，开启卷帘机进行补光或增温；若室内温度未达到植物光合作用所需温度，则判定为不开启卷帘机。
所述第一步中光强阈值根据温室内植物的光补偿点所需光强设置。
所述第三步中当光强达到或接近光合作用光饱和点时，根据光温拟合关系降低温度要求，但其温度不低于光合作用临界温度。
所述第三步中温室大棚光照强度和温度拟合关系为：
t＝6.6295+0.4779x+0.0004y
其中t为室内温度，x为室外温度，y为光照强度。
所述卷帘机通过限位开关单元自行控制关断。
本发明中，操作人员根据实际情况在中央控制室直接发送卷帘机控制指令，对卷帘机直接控制，开启或关闭卷帘机。
本发明还提供了一种基于光温耦合的日光温室卷帘机控制系统，包括中央控制室、室内监测节点、室外监测节点和卷帘机控制模块，其中：
所述中央控制室包括PC机11和用户交互模块12，PC机11通过485总线接收第一中央处理单元21和第二中央处理单元41数据，PC机11显示所传送的环境因子数据，根据实际情况，通过485总线5直接发送控制指令给第一中央处理单元，对卷帘机实现控制；PC机输出端连接用户交互模块12，所述用户交互模块12包括显示器、输入键盘和鼠标；
所述室内监测节点包括第一中央处理单元21、室内数据采集模块22和用户交互模块23，室内数据采集模块22包括多个室内温度传感器221，各室内温度传感器221的输出连接第一中央处理单元21的数据输入端，第一中央处理单元21的输出连接PC机11数据输入端和卷帘机31；第一中央处理单元21运行光温联控逻辑算法，根据实时采集信息向卷帘机控制模块发送控制指令实现卷帘机31的自动收放；
所述室外监测节点包括第二中央处理单元41和室外数据采集模块42，室外数据采集模块42包括室外温度传感器421和光强传感器422，室外温度传感器421和光强传感器422的输出连接第二中央处理单元41输入端运行光温联控逻辑算法，根据实时采集信息向第一中央处理单元21发送控制指令实现卷帘机的自动收放；
卷帘机控制模块由卷帘机31和限位开关单元32组成，卷帘机31接收第一中央处理单元21控制指令，由限位开关单元32对卷帘机31进行限位。
所述限位开关单元32为限位模块一321或限位模块二322，
所述限位模块一321包括安装在温室棚底的行程开关和安装于温室棚顶的红外对射器，所述红外对射器的自带继电器的常开触点与控制卷帘机的中间继电器串联，中间继电器的输出通过接触器与卷帘机电源相连，行程开关的输出与第一中央处理单元21连接；
所述限位模块二322包括两组分别安装在温室棚顶和棚底的红外对射器，两组红外对射器的输出端均通过自带继电器后连接控制卷帘机的中间继电器，中间继电器的输出通过接触器与卷帘机电源相连。
所述第一中央处理单元21和第二中央处理单元41都为51单片机系列的 STC12C5A60S2，第一中央处理单元21的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3脚为室内数据采集模块22数据输入端口，P3.0、P3.1扩展数据串口，接收第二中央处理单元41数据，第一中央处理单元21P2口连接用户交互模块23键盘输入模块，P1口8路接液晶显示屏；第二中央处理单元41的P0.0、P0.1脚为室外数据采集模块42的数据输入口，扩展出数据串口，输出数据；两中央处理单元均以485总线5向PC机发送光照、温度信息，PC机11通过485总线5接收数据，并对环境因子参数进行显示，通过手动控制对卷帘机进行控制。
所述卷帘机31的控制为：第一中央处理单元21通过P0.4、P0.5输出高低电平，实现对卷帘机中间继电器的通断控制，其中P0.4控制卷帘机31的正转，P0.5控制卷帘机31的反转。
所述室内温度传感器221和室外温度传感器421均为DS18B20温度传感器；所述光强传感器422为室外型光照度传感器HZH8-CW1。
所述键盘输入采用4*4矩阵键盘，液晶显示屏采用OCM12864-3液晶屏，PC机采用传统Windows系统电脑，连接用户交互模块的键盘、鼠标及显示屏。
所述PC机11与各个塑料大棚的监测节点中央处理单元之间以485总线5进行数据和控制指令传递。
本发明光温联控逻辑算法，利用室内、室外监测节点采集的光强及温度数据，根据温室大棚光照强度和温度拟合关系，根据不同温度下植物的光合作用临界点，并结合时间信息，判断卷帘机是否开启。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过对植物生长环境中温度、光照强度等因子的检测，实现了植物生长日光温室内外环境信息的实时捕捉。
2)同时基于不同植物所需光强所设定的阈值与捕捉的环境因子信息，通过调用光温联控逻辑算法，实现了卷帘机开启时机的准确判断与自动控制。
3)由于行程开关易损坏，通过红外对射及行程开关的混合使用的办法，完成对卷帘机限位控制，实现了自动关断卷帘机的控制。
4)本发明采用技术成熟的51单片机系列，具有低成本，可靠性高的特点。
5)采用485总线可实现集群日光温室大棚的统一管理和控制。
附图说明
图1是本发明光温联控卷帘机控制方法的流程图。
图2是本发明基于光温联控的日光温室卷帘机控制系统的结构示意图。
图3是本发明的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明一种基于光温耦合的日光温室卷帘机控制方法，根据植物生长阶段所需光照强度，设置光照强度阈值；检测温室外实时光照强度，通过与阈值比较判断，如果达到所需光强，则判断为可以开启卷帘机；如果环境光强小于设置的光照强度阈值，则判断为关闭卷帘机或者不开启卷帘机保持原状态。在判断为可以开启卷帘机后，再通过温室内监测节点检测室内实时温度，同时通过室外监测节点实时检测室外温度，根据温室大棚光照强度和温度拟合关系，当温度达到光合作用所需值，且为白天特定时段时，开启卷帘机和限位开关单元，进行补光或增温，卷帘机通过限位开关单元自行控制关断；若未达到所需温度，则判定为不开启卷帘机。同时操作人员可根据实际情况，在中央控制室直接发送卷帘机控制指令，对卷帘机直接控制，开启或关闭卷帘机。
为实现所述的基于光温联控的日光温室卷帘机控制方法，提出一种基于光温联控的日光温室卷帘机控制系统，包括中央控制室、室内监测节点、室外监测节点和卷帘机控制模块，通过环境因子的监测，结合光温联控逻辑算法，辅之以限位模块实现日光温室大棚卷帘机的自动化控制，同时用户在中央控制室可实现对集群大棚卷帘机的手动控制。
如图2所示，控制系统具体包括：
中央控制室，包括PC机11和用户交互模块12，实现集群日光温室环境 因子的监测显示和控制。室内监测节点、室外检测节点通过485总线5将环境光照强度、温度参数进行上传，PC机11对数据进行接收处理，并通过界面进行数据显示，包括各个大棚温室温度数据表、变化趋势图等，同时显示各个大棚控制卷帘机状态，提供直接控制卷帘机按钮，通过485总线5向大棚第一中央处理单元21发送控制指令，实现对卷帘机31的远程自动控制。
室内监测节点，包括第一中央处理单元21、室内数据采集模块22和用户交互模块23，选用STC12C5A60S2作为核心处理器，采用标准接口电路5V电源供电，其中P1口连接液晶屏的8路数据口，P0口负责与采样信号、卷帘机中间继电器和限位模块相连，P0.0-P0.3完成监测数据的采集，P0.4-P0.5完成对卷帘机的控制,P0.6-P0.7对限位模块状态进行检测；P2口连接4*4矩阵键盘，P3.0、P3.1用于单片机与串口连接的数据读写线，完成程序的下载和数据的传输，P3.2-P3.7位液晶控制端，基于以上本模块电路和相关外设，结合应用自行开发的系统软件，可实现如图3所示的系统实施例功能流程，根据室内外环境因子，运行光温联控逻辑算法，输出控制卷帘机的开闭；用户交互模块，由液晶显示屏和4*4矩阵键盘构成。模块采用OCM12864-3液晶屏，其8路数据口与单片机P1口连接，控制端BG_LCD、LCD_E、LCD_R/W、LCD_RS、LCD_CS2、LCD_CS1,依次与P3.2-P3.7连接，可实现对检测结果和补光效果等的查询显示，其中4*4矩阵键盘与P2口的8个I/O口相连，可根据系统使用需要对系统温度和光照强度的设置，实现步骤20的功能。
室外监测节点，包括第二中央处理单元41和室外数据采集模块42，选用STC12C5A60S2作为核心处理器，采用标准接口电路5V电源供电，其中P0.1、P0.2口负责与采样信号相连，应用运算放大器小信号标准I/V转换电路和滤波电路，对检测到的两路硅光电池的短路电流分别进行转换和放大，可通过调整采样电阻的改变采样电压的范围，经过调理后的两路模拟信号分别接入每个14位ADC模块MAX1026的AIN端输入，转化为数字信号从DOUT端输出，室外温度数据接入单片机P0.2口，外界光照强度数据接入单 片机P0.1口。P0.3、P0.4用于单片机与串口连接的数据读写线，完成程序的下载和数据的传输。
卷帘机控制模块，由卷帘机31和限位开关单元32构成。卷帘机31接收第一中央处理单元21控制指令，由限位开关单元32对卷帘机31进行限位。
限位开关单元32可以为限位模块一321或限位模块二322。
限位模块一321包括安装在温室棚底的行程开关和安装于温室棚顶的红外对射器，所述红外对射器的输出端与控制器连接，控制器与行程开关的继电器连接，行程开关的继电器的常开触点与控制卷帘机的中间继电器串联，中间继电器的输出通过接触器与卷帘机电源相连；
红外对射器选用阵泰安保ABE-250，其采用3光束同时遮断检测，有效距离100m以上，其自带继电器，接点输出容量AC\DC30V,0.5Amax，具有常闭和常开两种工作模式，本设计采用常开模式，满足实际大棚卷帘机控制要求，继电器连接卷帘机中间继电器进行控制，当3束光线被遮断，输出闭合信号，使继电器接通控制卷帘机的开启与关断。行程开关选用TnTAI公司的JLXK1-511，其输出端接卷帘机中间继电器，当卷帘机卷到指定位置时，切断电源，完成图3中步骤80和步骤100的工作。
限位模块一321是对卷帘机的上限位和下限位，系统通电后，红外对射器及行程开关通电工作，当卷帘机向上卷帘且未到达棚顶时，红外对射器之间无物体遮挡，其继电器常开触点仍处于断开状态，输出断开信号，中间继电器控制卷帘机处于开启状态；当卷帘机到达棚顶或棚底时，卷帘将红外对射器之间的红外光线遮挡，继电器常开触点闭合，向中间继电器输出闭合信号，中间继电器控制卷帘机停止运行，关闭卷帘机；卷帘机到达底部会撞击行程开关，行程开关会将信号发送给中央处理单元，从而关断卷帘机。下次开启时，系统卷帘机只能朝上或者朝下开启，若行程开关被阻断，则卷帘机只能朝上卷起；若红外对射被阻断，则卷帘机只能朝下放下卷帘。
限位模块二322包括两组分别安装在温室棚顶和棚底的红外对射器，两组红外对射器的输出端均通过自带继电器后连接控制卷帘机的中间继电器， 中间继电器的输出通过接触器与卷帘机电源相连。
该模式下，有效距离也在100m以上，红外对射装置包括红外对射器和继电器，其继电器的常开触点与控制卷帘机的中间继电器串联；系统通电后，红外对射模块通电工作，当卷帘机向上卷帘且未到达棚顶时，红外对射装置之间无物体遮挡，其继电器常开触点仍处于断开状态，输出断开信号，中间继电器控制卷帘机处于开启状态；当卷帘机到达棚顶时，卷帘将红外对射装置之间的红外光线遮挡，继电器常开触点闭合，向中间继电器输出闭合信号，中间继电器控制卷帘机停止运行，关闭卷帘机；下次开启时，系统卷帘机只能朝下开启。当卷帘机向下卷帘时，工作原理与向上卷帘相同。
各模块安装时，室外监测节点安装于空旷地，便于检测环境光照强度和温度；室内监测节点安装于日光温室后墙上，温度传感器分布于温室大棚中，所得温度为所有温度传感器检测值均值；为解决行程开关在室外易生锈损坏的缺点，而红外对射受环境影响较小，且本系统选用对射距离250m的红外对射器，能满足现有大棚长度的需求，故卷帘机限位装置可采用红外对射器与行程开关混合使用的方式，红外对射器安装于日光温室大棚顶端，行程开关安装于棚底，两头各一个，方便维护和拆修。
为进一步阐明本发明的补光过程，结合图3做具体说明，
步骤10，系统完成开机判断，如果不进行系统初始化，等待5秒后转至步骤30；如果尚未完成阈值设置或重新修改修改等系统初始化内容，转至步骤20，系统进入初始化界面，用户可根据植物需求、季节气候情况设置温度阈值和光照强度阈值，完成本一系列工作后再转至步骤30。
步骤30，系统完成初始化设置后，应用光照传感器检测实时环境光强，室内外温度传感器检测室内外实时温度，并对检测值进行临时存储，通过485总线进行转发至中央控制室PC机进行存储显示，并转至步骤40。
步骤40，根据初始化设定的光照强度阈值和步骤30采集得到的实时光照强度，判断环境实时光强是否达到设定的光强范围。如果大于光强阈值，则转至步骤100；反之则转至步骤50。
步骤50，根据卷帘机限位模块切断状态，如果红外对射切断，行程开关未被切断，则判别为卷帘机位于棚顶，反之则判别为棚底，判别完成后转至步骤60。
步骤60，判别卷帘机是否位于棚顶，位于棚顶转至步骤70，反之转至步骤90，保持卷帘机现有状态，即关闭状态。
步骤70，若判别位于棚顶，第一中央处理单元分析处理，通过I/O口的P0.5发出控制高电平，使控制卷帘机的中间继电器接通，打开卷帘机，并转至步骤80。定义输出高电平后继电器接通，打开卷帘机逆转电源，使卷帘机反转放下大棚棉被或草帘；输出低电平使继电器关断，即时卷帘机电源关断，从而使卷帘机停止转动。
步骤80，两个限位单元均处于接通工作状态，检测卷帘机是否到达指定位置，本步骤主要用于卷帘机关闭，若行程开关被切断，则断开卷帘机控制电源，关闭卷帘机，反之重复检测，直至行程开关被切断为止。
步骤100，外界环境光照强度满足条件的情况下，根据设置温度阈值、内外温差范围及步骤30所实时检测的室内外温度，判断温度是否达到合理要求，满足则转至步骤110，反之转至步骤30重新检测。
步骤110，满足步骤100所设温度，及光温联控逻辑算法后，读取系统当前时间值，温室开启应与当天合理时间段相适应，判断当前时间是否属于设置的合理时间段内，若属于转至步骤120，反之转至步骤30。
步骤120，满足光照、温度、光温联控逻辑及合理时间段时，第一处理单元检测限位模块切断状态，若红外对射被切断则判断为温室棚顶，反之行程开关切断则判断为棚底；若判断为棚底，第一中央处理单元发出控制指令，使P0.4输出高电平接通中间继电器，使卷帘机开始正转，同时第一中央处理单元开始检测限位模块状态，若红外对射被切断则控制P0.4输出低电平，使继电器断开，从而使卷帘机停止转动，卷帘机开启到指定位置；若判断为棚顶，则保持原有状态，不进行任何操作。