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《山东大学》 2015年
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温室大棚智能控制系统研究

吴朋林  
【摘要】:设施农业是现代农业的显著标志,促进设施农业发展是实现农业现代化的重要任务。温室大棚是设施农业的重要组成部分,大棚内环境参数智能调控是温室大棚技术的关键,大棚智能控制和管理水平的提高可以充分发挥设施农业的高效性。我国大棚智能控制研究起步晚,自主研发的设备环境调控效果差,与世界发达国家相比还存在一定差距;而由于气候、规模等因素差异,国外进口产品使用性能达不到最佳效果而且价格相对高。因此,本文提出并设计了一种成本低、操作便捷、实用性的温室大棚智能控制系统。本文结合计算机技术、传感器技术、通信技术和模糊控制技术,根据大棚内环境控制需求,设计实现了具有较高智能控制水平的温室大棚智能控制系统。本文设计的智能控制系统分为控制单元和数据采集单元两部分。控制单元以意法半导体设计的增强型微控制器STM32F103VBT6为核心,包含电源模块、人机交互模块、语音播报模块、报警模块和输出控制模块等;数据采集单元以IAP15F2K61S2为核心,主要包含温湿度、光照强度、土壤湿度和二氧化碳浓度等传感器模块;数据采集单元和控制单元的数据传输通过RS485通信模块实现。数据采集单元采集到的数据经RS485传送至控制单元,控制单元对数据进行处理后根据模糊逻辑控制等智能控制原则,输出控制信号控制环境调控设备对大棚内环境进行调节。本文重点介绍了智能控制系统的硬件和软件设计。采用模块化设计思想将系统分为不同的模块。首先介绍不同模块的原理及硬件电路设计,然后根据不同的功能单元进行软件设计,介绍了模糊控制器的设计和基于Modbus协议的RS485通信的实现。本文通过Matlab仿真和现场运行测试验证了系统的可行性。最后对本设计进行了全面的总结,同时指出了系统设计的不足之处,为智能控制系统进一步研究奠定良好的基础。本文对温室大棚智能控制进行需求分析,将传感器技术、模糊控制技术、计算机技术、RS485通信技术、环境科学等科学技术相结合,按照作物的生长规律,设计并实现了一套温室大棚智能控制系统。系统为作物营造一个适宜的生长环境,使得作物生长不受外部环境因素制约,实现作物生长的智能化自动控制,提高温室大棚的产量,促进农业现代化的发展。
【关键词】:温室大棚智能控制 模糊控制 RS485通信 STM32 IAP15
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TP273
【目录】:
  • 摘要10-12
  • Abstract12-14
  • 第一章 绪论14-18
  • 1.1 课题研究背景与意义14-15
  • 1.2 课题研究现状15-16
  • 1.2.1 国外研究现状15
  • 1.2.2 国内研究现状15-16
  • 1.3 本文主要工作及章节安排16-18
  • 第二章 温室大棚智能控制系统总体设计18-24
  • 2.1 大棚环境参数分析18-20
  • 2.2 大棚智能控制系统的控制决策选择20-21
  • 2.3 系统设计原则21
  • 2.4 系统总体方案设计21-23
  • 2.4.1 系统硬件部分总体设计22-23
  • 2.4.2 系统软件部分总体设计23
  • 2.5 本章小结23-24
  • 第三章 温室大棚智能系统硬件设计24-44
  • 3.1 控制单元硬件设计24-34
  • 3.1.1 微控制器模块24-27
  • 3.1.2 电源模块27
  • 3.1.3 人机交互模块27-30
  • 3.1.4 语音播报与报警模块30-31
  • 3.1.5 通信模块31-33
  • 3.1.6 输出控制模块33-34
  • 3.2 数据采集单元硬件设计34-42
  • 3.2.1 微控制器模块35
  • 3.2.2 电源模块35-36
  • 3.2.3 空气温湿度传感器36-37
  • 3.2.4 光照强度传感器37-38
  • 3.2.5 二氧化碳传感器38-40
  • 3.2.6 土壤湿度传感器40-41
  • 3.2.7 水流量传感器41-42
  • 3.2.8 通信模块42
  • 3.3 硬件抗干扰设计42
  • 3.4 本章小结42-44
  • 第四章 温室大棚智能控制系统软件设计44-70
  • 4.1 控制单元软件设计44-50
  • 4.1.1 液晶显示子程序设计45-48
  • 4.1.2 语音合成与播报子程序设计48-50
  • 4.2 数据采集单元软件设计50-56
  • 4.2.1 数据采集单元主程序设计50-51
  • 4.2.2 空气温湿度采集子程序设计51-53
  • 4.2.3 光照强度采集子程序设计53-54
  • 4.2.4 土壤湿度采集子程序设计54-55
  • 4.2.5 二氧化碳浓度采集子程序设计55
  • 4.2.6 水流量采集子程序设计55-56
  • 4.3 基于Modbus协议的RS485总线通信设计56-61
  • 4.3.1 Modbus协议简介56-57
  • 4.3.2 Modbus信息帧57-58
  • 4.3.3 Modbus的CRC校验58-59
  • 4.3.4 基于Modbus协议的RS485通信子程序设计59-61
  • 4.4 模糊控制器设计61-69
  • 4.4.1 模糊控制的数学基础61-62
  • 4.4.2 模糊控制器的基本组成62-63
  • 4.4.3 变量论域和等级的确定63-64
  • 4.4.4 隶属度函数的确定64
  • 4.4.5 模糊规则的制定64-65
  • 4.4.6 模糊控制表的制定65-68
  • 4.4.7 模糊控制器子程序设计68-69
  • 4.5 本章小结69-70
  • 第五章 温室大棚智能控制系统的测试与仿真70-76
  • 5.1 模糊控制器的MATLAB仿真70-74
  • 5.1.1 模糊控制器模型的建立70-72
  • 5.1.2 Simulink仿真72-74
  • 5.2 实验调试与分析74-75
  • 5.3 本章小结75-76
  • 第六章 总结与展望76-78
  • 6.1 本课题的主要工作76
  • 6.2 系统实现的功能76-77
  • 6.3 后续的研究工作77-78
  • 参考文献78-84
  • 致谢84-85
  • 附件85

【参考文献】
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