CN103389755A - 设施农业节能降耗的积温控制器及其服务*** - Google Patents

设施农业节能降耗的积温控制器及其服务*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种设施农业节能降耗的积温控制器，包括外壳以及安装在外壳内的硬件电路和嵌入式操作***，在外壳上设置有显示屏和按键，外壳的端部设置有插槽、电源开关、电源接头、航空插头、加温设备和降温设备的电源端子，显示屏、指示灯、按键、SIM卡插槽、电源开关、电源接头、空气温度传感变送器、加温设备的电源端子和降温设备的电源端子均与硬件电路的微处理器MCU连接，嵌入式操作***通过微处理器MCU启动运行。本发明的优点：能够对设施农业如温室、畜禽舍环境温度进行调节，温度调节的控制方案采用有效积温方法，达到节能降耗的目的，该服务***提供实时的农业市场信息和专家指导建议信息，适合在广大的农户中进行推广。

Description

设施农业节能降耗的积温控制器及其服务***
技术领域
本发明的涉及一种设施农业节能降耗的积温控制器及其服务***，安装在设施农业环境如温室、猪舍、羊舍、鸡舍等，采用积温控制策略进行环境温度调节，使种植的蔬菜或养殖的家禽生活在适应的温度范围内，同时，该服务***还能为用户提供所需的实时农业信息，属于农业测控领域。
背景技术
随着计算机技术、信息技术的发展，现代设施农业的智能化程度得到了大幅度的提升。设施农业环境中的温度参数是农作物和家畜健康成长的一个重要指标，如在温室中，传统的温室环境温度控制方法是根据温度的上下限控制相应的加温和降温设备，控制装置采用温度控制器，这种方式很好的满足了温室中作物产量和品质的要求，但是存在着能耗较大的缺点，据***统计，全世界一年的农业生产中约35%的能源消耗在温室的加温上，能源消耗是作物生产总费用的15%-40%。在猪舍、羊舍等设施农业中，需要将环境温度控制在某个范围之内，同样需要一种节能的温度控制器。
传统的温度控制器功能单一，一般实现恒温或上下限温度控制，由于温度传感器一般采用模拟量的输出，控制器携带的温度传感器受信号传输衰减的影响一般连线较短，不能实现温度传感器和控制器分布在相距较远的地点布置，农户使用起来很不方便；另外，农户在获取农业市场信息方面相对滞后，更缺乏农业专家对农作物种植、家畜养殖的指导建议，市场上没有一个温度控制器能携带这种高附加值的功能，而用户在种植和养殖时非常迫切获取这些农业信息。
农业上把某一时间段内符合一定条件的日平均温度直接累加或处理后累加所得的总和称为积温，分为活动积温和有效积温，有效温度是指活动温度与生物生长的下限温度之差，故有效积温是指生物在全生育期内或某一生育时期内有效温度的总和。对温室中的大多数作物来说，作物的生长与某一时间段的积温有关，而与具体的温度过程关系较小，而且作物不仅总生长期有一定的积温要求，各生长阶段也有一定的积温要求。利用作物的积温属性，采用积温方法进行温度调节，使得白天尽可能多的利用热能，获得较高的平均温度值，夜间则调节尽可能低的温度，但在某一时间段内的平均温度仍为最适温度，也即是积温总量不变的调节原则，采用这种积温的控制方法，将使得温室的能耗减少10%-20%。
发明内容
本发明提供的一种设施农业节能降耗的积温控制器及其服务***，能够对设施农业如温室、畜禽舍等环境温度进行调节，温度调节的控制方案采用有效积温方法，可以达到节能降耗的目的，同时，该服务***还能提供实时的农业市场信息和专家指导建议信息等，使用简单、成本低，适合在广大的农户中进行推广。本发明的技术方案是：一种设施农业节能降耗的积温控制器，包括外壳以及安装在外壳内的硬件电路和μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***，在所述的外壳上设置有LCD液晶显示屏、指示灯和按键，所述外壳的端部设置有SIM卡插槽、电源开关、电源接头、与空气温度传感变送器连线的航空插头、加温设备的电源端子和降温设备的电源端子，所述的LCD液晶显示屏、指示灯、按键、SIM卡插槽、电源开关、电源接头、空气温度传感变送器、加温设备的电源端子和降温设备的电源端子均与硬件电路的微处理器MCU连接，所述的μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***通过微处理器MCU启动运行。
所述的硬件电路还包括： RS485转RS232模块，负责将空气温度传感变送器的温度数据通过RS485通讯协议发送转换成RS232通讯协议发送，RS232接口与微处理MCU相连，将温度数据送入操作***中进行处理；
加温继电器，用于连接加温设备的电源开关；
降温继电器，用于连接降温设备的电源开关；
两个光电耦合器，分别负责与加温继电器和降温继电器连接的强电信号与微处理MCU连接的弱电信号进行彻底电气隔离；
时钟，负责提供***精确的时钟，具有备用可充电的纽扣电池；
看门狗复位电路，负责检测μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***是否死机，死机时对其进行复位重新运行；
红外遥控模块，负责接收红外遥控器发出的信号，可以对加温继电器和降温继电器进行开启和关闭；所述的红外遥控器具有四个按键，分别为加温开启键、加温关闭键、降温开启键、降温关闭键；
控制器供电模块，负责将220V的交流市电转换成直流9V电源和5V电源，9V电源负责给空气温度传感变送器供电，5V电源负责给微处理器MCU供电；
积温控制策略模块，在该模块内预设了部分农作物和家畜在不同的生长阶段应该达到的积温值，通过对设施农业的环境温度进行积温计算和积温预测，形成积温控制策略，在指定的积温时间内，通过控制加温继电器和降温继电器完成需要的积温值。
参数设置模块，用于设置设施农业中种植或养殖的物种的种类、温度的上下限、不同阶段积温的时间、积温值、用户手机号码信息；
报警输出模块，当检测到空气的温度高于设置温度上限或低于设置温度下限时进行报警，报警声由蜂鸣器发出；
所述按键包括LCD液晶显示屏控制按键、加温开启按键、加温关闭按键、降温开启按键和降温关闭按键；
GPRS无线通信模块，***SIM卡可以通过GPRS网络连接到互联网；
空气温度传感变送器，微处理器MCU通过ModBus协议给温度传感变送器发送温度采集指令，用于采集空气的实时温度数据，并将温度数据转换成数字量；
所述的空气温度传感变送器包括单片机MCU、温度传感器、RS485接口和信号端子，所述温度传感器负责采集设施农业环境的温度，并将温度数据送入单片机MCU中；所述的单片机MCU，负责温度数据的变换、校准，并将温度数据发送出去；光耦电路，进行单片机MCU和RS485接口的信号的电气隔离；信号端子，连接所述的RS485转RS232模块和光耦电路；传感器供电模块，给整个空气温度传感变送器的部件供电，其电源端子接控制器供电模块的9V电源，再经过稳压电路进行稳压。
所述的LCD液晶显示屏控制按键包括中间的为ENTER键，在ENTER键的上下左右设置的四个按键使LCD液晶屏上的光标跟着这四个键进行上下左右移动。
一种服务***，包括积温控制器，所述的积温控制器为数个，每个积温控制器通过GPRS无线通信模块连接到互联网上，在互联网上有商家搭建的设施农业共***平台，该平台通过互联网采集政府、涉农企业、专家、批发市场、商铺的农业相关信息，设施农业共***平台将收集的信息进行整理后对农户进行发布。
本发明的优点是：该积温控制器带有近距离红外遥控器，可以通过遥控按键实现加温和降温设备的开启和关闭；该积温控制器和它携带的空气温度传感变送器连线采用RS485接口，最远可相距400米距离，如积温控制器安装在控制室中，而传感变送器器安装在温室或畜禽舍中；在温室中使用时，该积温控制器可对农作物采用有效积温控制策略，进行农作物的高效生产，也可安装在猪舍、羊舍等畜禽舍养殖环境中，通过在控制器中设置温度的上下限，采用恒温或积温控制策略，进行家畜的福利化养殖；该积温控制器的LCD液晶显示屏上，可以根据农户的设置需求显示相应的农业市场信息和专家指导信息，为广大农牧民提供全面、可靠、适时的农业信息服务，促进农牧民的增收和设施农业的增效。
附图说明
图1是本发明积温控制器的硬件电路工作原理图；
图2是本发明积温控制器的空气温度传感变送器的硬件工作原理图；
图3是本发明积温控制器的外壳封装图；
图4是本发明服务***的结构示意图；
图5是本发明积温控制器的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图3，一种设施农业节能降耗的积温控制器，包括外壳1以及安装在外壳1内的硬件电路和μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***，在所述的外壳1上设置有LCD液晶显示屏2、指示灯和按键，所述外壳1的端部设置有SIM卡插槽9、电源开关17、电源接头13、航空插头14、加温设备的电源端子15和降温设备的电源端子16，所述的LCD液晶显示屏2、指示灯、按键、SIM卡插槽9、电源开关17、电源接头13、空气温度传感变送器、加温设备的电源端子15和降温设备的电源端子16均与硬件电路的微处理器MCU连接，所述的μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***通过微处理器MCU启动运行；所述的空气温度传感变送器在与微处理器MCU距离较近时（小于400米时），可以通过航空插头14与微处理器MCU连接，用于采集空气的实时温度数据，并将温度数据转换成数字量；
 所述按键包括LCD液晶显示屏控制按键3、加温开启按键5、加温关闭按键6、降温开启按键7和降温关闭按键8；所述的LCD液晶显示屏控制按键包括中间的为ENTER键，在ENTER键的上下左右设置的四个按键使LCD液晶屏上的光标跟着这四个键进行上下左右移动。
所述的指示灯包括加温开启指示灯10、降温开启指示灯11和电源指示灯12。
所述的硬件电路还包括： RS485转RS232模块，负责将空气温度传感变送器的温度数据通过RS485通讯协议发送转换成RS232通讯协议发送，RS232接口与微处理MCU相连，将温度数据送入μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***中进行处理；加温继电器，用于连接加温设备的电源开关；降温继电器，用于连接降温设备的电源开关；两个光电耦合器，分别负责与加温继电器和降温继电器连接的强电信号与微处理MCU连接的弱电信号进行彻底电气隔离；时钟，负责提供***精确的时钟，具有备用可充电的纽扣电池；看门狗复位电路，负责检测μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***是否死机，死机时对其进行复位重新运行；红外遥控模块，负责接收红外遥控器发出的信号，可以对加温继电器和降温继电器进行开启和关闭；所述的红外遥控器具有四个按键，分别为加温开启键、加温关闭键、降温开启键、降温关闭键；控制器供电模块，负责将220V的交流市电转换成直流9V电源和5V电源，9V电源负责给空气温度传感变送器供电，5V电源负责给微处理器MCU供电；
积温控制策略模块，通过对设施农业的环境温度进行积温计算和积温预测，形成积温控制策略，在指定的积温时间内，通过控制加温继电器和降温继电器完成需要的积温值。所述的积温控制策略模块根据设置的积温参数：积温时间、积温值、温度上限和温度下限等来确定控制策略，并能根据当前的积温值对后续时间的积温值进行预测，积温控制策略可以在白天尽可能多的利用热能，获得较高的平均温度值，夜间则调节尽可能低的温度，但在某一时间段内的平均温度仍为最适温度，这种控制策略可以达到节能降耗的目的。在积温控制策略模块中预设了部分农作物和家畜在不同的生长阶段应该达到的积温值，用户可以通过按键方便的选择是某种作物或家禽所处的时期，***就会给出最佳的积温值，方便用户的使用。
参数设置模块，用于设置设施农业中种植或养殖的物种的种类、温度的上下限、不同阶段积温的时间、积温值、用户手机号码信息；
报警输出模块，当检测到空气的温度高于设置温度上限或低于设置温度下限时进行报警，报警声由蜂鸣器发出；GPRS无线通信模块，***SIM卡可以通过GPRS网络连接到互联网；
所述的空气温度传感变送器包括单片机MCU、温度传感器、RS485接口和信号端子，所述温度传感器负责采集设施农业环境的温度，并将温度数据送入单片机MCU中；所述的单片机MCU，负责温度数据的变换、校准，并将温度数据发送出去；光耦电路，进行单片机MCU和RS485接口的信号的电气隔离；信号端子，连接所述的RS485转RS232模块和光耦电路；传感器供电模块，给整个空气温度传感变送器的部件供电，其电源端子接控制器供电模块的9V电源，再经过稳压电路进行稳压。
本发明积温控制器的工作原理是：接到220V的交流电源以后，控制器供电模块负责将220V的交流电转换成9V和5V的直流电，9V给空气温度传感变送器供电，5V给其它部件进行供电，微处理器MCU采用RS485接口从空气温度传感变送器中获取数据，将采集的温度数据在LCD液晶显示屏上显示，空气温度传感变送器放置在百叶箱中，与微处理器MCU相距可达400米，所述的温度传感变送器采用RS485通讯协议，温度数据的传输为ModBus通信协议；微处理器MCU根据参数设置模块设置的温度上下限、积温时间和积温值等，调用积温控制策略模块，对加温继电器和降温继电器做出相应的动作，同时，当温度值超出设置的温度上下限时，报警输出模块将发出蜂鸣声以提示用户，还能启动GPRS无线通信模块对用户手机发送报警短信；时钟电路给***提供精确时间在LCD液晶显示屏显示；看门狗电路实时的检测***是否死机，若***死机将对***进行复位重新启动；用户可以通过积温控制器的红外遥控器，近距离对加温继电器和降温继电器进行开启和关闭，用户通过按键可以对历史的温度数据、积温数据进行查询、曲线显示。
其中，空气温度传感变送器的温度传感器采用DALLAS公司的单总线DS18B20，具有接线简单、体积小的特点。单片机MCU采用的是STC公司低功耗、高性能的8位微控制器STC89C52。RS485采用的是Maxim公司低功耗的MAX485，其结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器，与单片机MCU连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可。
微处理器MCU采用Silicon Lab公司的8051内核混合信号微控制器C8051F120，具有100个引脚的封装，包括128KB闪存、8448KB RAM，片内的外设包括一个12位100kBPS ADC。看门狗电路采用MAX813，连接微处理MCU的复位端，当检测到1.6s没有“喂狗”信号时，对微处理器MCU进行复位。时钟电路采用的是DALLAS公司的DS1302，采用32.768kHz晶振，是一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能。LCD液晶显示屏采用奇美的3.5寸320*480大点阵显示屏。
参见图4，一种服务***，包括数个积温控制器，每个农户的积温控制器通过GPRS无线通信模块连接到互联网上，在互联网上有商家搭建的设施农业共***平台，该平台通过互联网采集政府、涉农企业、专家、批发市场、商铺的农业相关信息，设施农业共***平台将收集的信息进行整理后对农户进行发布，使农户在LCD液晶显示屏上获取实时的农业市场信息、专家建议信息、天气预报信息等。
本发明的工作流程如图5所示，积温控制器在接通电源后，***启动μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作***，启动多任务进程，这些任务依次为初始化LCD液晶显示屏、初始化GPRS无线通信模块、初始化连接温度传感变送器的串口，接下来***运行四个并行的任务，分别是：（1）积温控制器通过GPRS无线通信模块连接互联网上的设施农业共***平台，如果连接成功，将从互联网的服务器上获取农业信息，然后送到LCD液晶屏上显示，等待3分钟就再次连接设施农业共***平台获取信息，如果连接未成功（如未***SIM卡，SIM卡中的数据流量已用完等），则直接等待3分钟后连接设施农业共***平台。（2）积温控制器等待用户按键操作，如果用户通过按键面板选择参数设置，则会开启参数设置主界面，用户可以设置积温时间、积温值、温度上下限等，设置完成后进行存盘保存，就可以关闭参数设置主界面，回到等待用户按键操作状态，如果用户通过按键面板选择浏览农业信息，则开启农业信息浏览界面，该信息是从设施农业共***平台中获取的，浏览完毕后关闭农业信息浏览主界面，返回到等待用户按键操作状态。（3）微处理器MCU通过ModBus协议给温度传感变送器发送温度采集指令，等待1分钟，温度传感器在1分钟内完成数据的采集和传输到微处理器MCU的串口，如果成功的从串口缓存中读取温度数据，则将温度数据送入LCD液晶显示屏上显示，否则继续发送温度采集指令，成功读取的温度数据接下来会保存到SD储存卡中，方便以后查看，微处理器MCU会判断采集的温度数据是否超过温度的上限，超过上限就会开启降温设备，并通过GPRS无线通信模块给用户手机发送温度超限报警信息，接下来等待10分钟后，重新开始发送温度采集指令，如果没有超过上限就判断是否超过了温度的下限，当超过温度下限时，将会开启增温设备，并给用户发送报警短信，等待10分钟后重新发送温度数据采集指令，当没有超过温度下限时，积温控制器将会调用积温控制策略，该策略根据最近3天的积温值来预测当天的积温值，当在指定的时间内不能获取设置的积温值时，就需要开启增温设备，若能达到设置的积温值，无需开启增温设备，都是等待10分钟后重新发送温度数据采集指令。（4）微处理器MCU检测用户是否按下了电源关机按键，如果没有则等待3秒后继续检测用户是否按下了电源关机按键，如果是按下了电源关机按键，则关闭μC/OS-Ⅱ操作***，***结束。

Claims (5)

1.一种设施农业节能降耗的积温控制器，其特征在于：包括外壳以及安装在外壳内的硬件电路和μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***，在所述的外壳上设置有LCD液晶显示屏、指示灯和按键，所述外壳的端部设置有SIM卡插槽、电源开关、电源接头、与空气温度传感变送器连线的航空插头、加温设备的电源端子和降温设备的电源端子，所述的LCD液晶显示屏、指示灯、按键、SIM卡插槽、电源开关、电源接头、空气温度传感变送器、加温设备的电源端子和降温设备的电源端子均与硬件电路的微处理器MCU连接，所述的μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***通过微处理器MCU启动运行。
2.根据权利要求1所述的设施农业节能降耗的积温控制器，其特征在于：所述的硬件电路还包括： 
RS485转RS232模块，负责将空气温度传感变送器的温度数据通过RS485通讯协议发送转换成RS232通讯协议发送，RS232接口与微处理MCU相连，将温度数据送入操作***中进行处理；
加温继电器，用于连接加温设备的电源开关；
降温继电器，用于连接降温设备的电源开关；
两个光电耦合器，分别负责与加温继电器和降温继电器连接的强电信号与微处理MCU连接的弱电信号进行彻底电气隔离；
时钟，负责提供***精确的时钟，具有备用可充电的纽扣电池；
看门狗复位电路，负责检测μC/OS-Ⅱ嵌入式操作***是否死机，死机时对其进行复位重新运行；
红外遥控模块，负责接收红外遥控器发出的信号，可以对加温继电器和降温继电器进行开启和关闭；所述的红外遥控器具有四个按键，分别为加温开启键、加温关闭键、降温开启键、降温关闭键；
控制器供电模块，负责将220V的交流市电转换成直流9V电源和5V电源，9V电源负责给空气温度传感变送器供电，5V电源负责给微处理器MCU供电；
积温控制策略模块，在该模块内预设了部分农作物和家畜在不同的生长阶段应该达到的积温值，通过对设施农业的环境温度进行积温计算和积温预测，形成积温控制策略，在指定的积温时间内，通过控制加温继电器和降温继电器完成需要的积温值。
参数设置模块，用于设置设施农业中种植或养殖的物种的种类、温度的上下限、不同阶段积温的时间、积温值、用户手机号码信息；
报警输出模块，当检测到空气的温度高于设置温度上限或低于设置温度下限时进行报警，报警声由蜂鸣器发出；
所述按键包括LCD液晶显示屏控制按键、加温开启按键、加温关闭按键、降温开启按键和降温关闭按键；
GPRS无线通信模块，***SIM卡可以通过GPRS网络连接到互联网；
空气温度传感变送器，微处理器MCU通过ModBus协议给温度传感变送器发送温度采集指令，用于采集空气的实时温度数据，并将温度数据转换成数字量。
3.根据权利要求1或2所述的设施农业节能降耗的积温控制器，其特征在于：所述的空气温度传感变送器包括单片机MCU、温度传感器、RS485接口和信号端子，所述温度传感器负责采集设施农业环境的温度，并将温度数据送入单片机MCU中；所述的单片机MCU，负责温度数据的变换、校准，并将温度数据发送出去；光耦电路，进行单片机MCU和RS485接口的信号的电气隔离；信号端子，连接所述的RS485转RS232模块和光耦电路；传感器供电模块，给整个空气温度传感变送器的部件供电，其电源端子接控制器供电模块的9V电源，再经过稳压电路进行稳压。
4.根据权利要求3所述的设施农业节能降耗的积温控制器，其特征在于：所述的LCD液晶显示屏控制按键包括中间的为ENTER键，在ENTER键的上下左右设置的四个按键使LCD液晶屏上的光标跟着这四个键进行上下左右移动。
5.一种服务***，其特征在于：包括权利要求1-4任意一项权利要求所述的积温控制器，所述的积温控制器为数个，每个积温控制器通过GPRS无线通信模块连接到互联网上，在互联网上有商家搭建的设施农业共***平台，该平台通过互联网采集政府、涉农企业、专家、批发市场、商铺的农业相关信息，设施农业共***平台将收集的信息进行整理后对农户进行发布。
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