一、項目概述
　　1.1 引言
　　近年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應用。種植環境中的溫度、濕度、水位等環境因子對作物的生產有很大的影響。傳統的人工控制方式難以達到科學合理種植的要求，存在大量的資源浪費，違背了環境保護的主題。目前國內可以實現上述環境因子自動監控的系統還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統價格昂貴，不適合國情。
　　針對目前大棚發展的趨勢，提出了一種農業溫室大棚監控系統的設計。本項目通過溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器DHT11和水壓傳感器D3B來采集大棚內溫度、濕度和水位等信息情況，并用無線透傳模塊LSDRF4717M04發送到溫室大棚主控制臺，主控制臺通過液晶N5110顯示大棚內溫度，濕度和水位情況，農戶可以通過按鍵，自己設定植物生長的最適溫度，濕度及水位范圍，一旦發現溫度、濕度及水位超出設定的范圍，則通過GPRS模塊將大棚內溫度、濕度和水位等信息發送到農戶手機中。農戶根據經驗，在很遠的地方回復短信給溫室大棚主控制臺，主控制臺根據農戶的命令來執行相應的措施。另外，我們基于TCP/IP和WEB的嵌入式以太網控制器，實現網頁監測、控制。
　　1.2 項目背景/選題動機
　　溫室產業及相關技術在國內外的發展速度很快。如在荷蘭的阿姆斯特丹 RAI展覽館每年11月舉辦一次國際花卉展覽會，2003 年就有來自世界各國的 477 個廠商展示了各自的產品和實力。荷蘭、日本、以色列、美國、韓國、西班牙、意大利、法國、加拿大等國是設施農業十分發達的國家，溫室以大型溫室為主。這些高水平大型溫室的環境控制系統能夠根據傳感器采集室溫、葉濕、地濕、室內濕度、土壤含水量、溶液濃度、水位、風速、風向、以及植物作物生長狀態等有關參數，結合作物生長所需最佳條件，有效調節有關設備裝置，將室內溫、濕、光、水、肥、氣等諸因素綜合協調調節到最佳狀態。
　　國內外溫室大棚的對比
　　1.科技含量低，中國的設施園藝無論是在溫室設施本身還是在栽培管理方面，大多數設施結構簡單，栽培管理以傳統的經驗為主，距離數量化和指標化的要求還有相當大的差距。中國溫室市場上目前使用的不少產品，在高品質領域主要以國外產品為主，遮明網的生產上以瑞典、以色列的高品質產品為主，溫室環境控制系統領域上國內的產品同樣與國外有相當大的差距，而且國內現有的一些科研成果與真正地推廣應用之間還有一段差距。
　　2．環境調控技術與設備落后，缺乏理論基礎與量化指標。由于絕大多熱園藝設施類型過于簡易，因此對環境的調節和控制十分有限。張福墁教授認為，塑料大棚往常在遇到災害性天氣時受損，無法生產。即使在正常天氣，大部分塑料大棚所能進行的環境調控手段也僅限于通風和避風。日光溫室遇到寒流或連陰（雪）天，光照不足失去熱源和光源時，室內光照、溫度、濕度都會出現不適臺植物生長的逆境，輕則減產，重則絕收（如從2008年1月10開始的長達1月之久的連續降雪天氣），造成不同程度的經濟損失。
　　3．缺乏與我國相適應的溫室優化控制軟件。目前，我國引進溫室的控制系統大多運行費用過高，而自行研制的控制系統又缺乏相應的優化軟件，多數仍使用單因子開關量進行環境因子的調節。而實際上溫室內的光照、氣溫、地溫、濕度及水位等環境要素是在彼此關聯著的環境中對作物的生長產生影響的，而且環境要素的時間變化和空間變化都很復雜，當改變某一環境因子時常會把其他環境因子變到一個不適宜的水平上。因此，結合溫室內的物理模型、作物的生長模型和溫室生產的經濟模型，開發出一套與我國溫室生產現狀相適應的環境控制優化軟件是非常重要和十分迫切的。
　　4．中國的溫室建設上盲目性很大。大量的項目在相應的配套設備、人才不到位的情況下，盲目地從國外引進高新技術，盲目地低水平仿制國外產品。溫室種植管理上，產品種植前經過市場考察的很少，往往造成產品積壓，帶來不應有的損失。相關的種植管理方面的研究距離理論化、科學化、系統化地指導生產實踐還有不少差距。溫室企業在產品的售后配套服務方面尚不夠完善，企業的品牌意識、誠信意識不夠相當溫室控制軟件的研究上與國外企業相比有相當大的差距。
　　技術發展現狀：
　　現代溫室中常見的能自動控制的調控機構有：頂部通風窗、側面通風窗、外遮陽簾幕、內遮陽簾幕、軸流通風機、降溫濕簾、人工補光燈、二氧化碳施肥器、加熱設備、噴霧系統及熏蒸設備。控制器綜合調節各個機構，使系統在運行中節約能源的同時保證室內氣候滿足植物生長需求。使用的控制器可以有很多選擇，如單片機、工控機、PLC、通用PC機等。控制器之間可以通過局域網或現場總線進行信息交換。國內外研究學者對控制系統和控制算法做了大量的研究。
　　我國溫室產業起步比較晚。自70年代末起，我國先后從日本、美國、荷蘭和保加利亞等國引進了40套左右的現代化溫室成套設備。雖然這些溫室技術領先、設備先進，但在我國的使用過程中還存在較嚴重問題，主要有以下幾點：引進價格高，運行經濟效益差;技術要求過高，要求經營者既要懂農業技術，熟悉英文，還要掌握電腦操作和機械運營和維護;運營模式沒有與中國的實際結合起來，不適合于我國的氣候特征。所以，研究開發符合我國國情、產生明顯經濟效益并適用于大范圍推廣應用的自動控制溫室系統己經迫在眉睫。基于以上的種種原因，我國的農業工程技術人員在吸收發達國家高科技溫室生產技術的基礎上，進行了溫室中溫度、濕度、光照等單因子控制技術的研究，并逐步推出既適宜我國經濟發展水平又能滿足不同生態氣候條件要求的溫室控制系統。
　　二、需求分析
　　2.1 功能要求
　　
　　圖1 系統架構
　　用戶可以通過上位機軟件、手機短信，查詢大棚溫度、濕度和水位并控制大棚薄膜、排風口、進出水閥、加熱器的打開與關閉。主控器將溫度、濕度和水位等信息發送至上位機軟件或用戶手機。也可將溫度和水位調整至設定值，實現閉環控制，從而實現了對農業大棚的高效管理、對自然資源的高效利用。用戶也可以通過網址訪問大棚的情況，通過網絡來對大棚實施監控。
　　網絡部分我們將使用AT32UC3A0512片內集成的10/100 Mbps的以太網MAC接口來實現網絡的監控。初步方案，我們將網絡的數據單獨用一個單片機來實現，再通過UART來實現個模塊間的數據的交互。不過在不影響主控單片機的反應速率和執行效率下，我們會盡量把網絡部分和主控部分集成在一塊單片機內，以此來降低產品的成本與功耗。
　　2.2 性能要求
　　農業溫室大棚監控系統的研究與開發
　　在保溫性能方面，該大棚模型加溫耗能少，降低能耗，溫室大棚透光材料覆蓋面積較大，薄膜保溫性好。
　　在耐用性方面，該大棚模型使用壽命比較長，傳感器使用壽命長，抗干擾性較強。
　　在數據傳輸方面，有數據檢驗，傳輸的波特率比較，使數據有效傳輸。
　　在能耗方面，該大棚模型使用功耗低的AVR系列中的AT32UC3A0512，在不使用外設時關閉電機驅動芯片的使能腳。
　　在數據保存方面，該大棚模型可以記錄歷史數據，方便查詢。
　　在遠程操控方面，該大棚模型可以通過手機短信和網絡來實行遠程操控。
　　在環保方面，該大棚模型能耗低，材料使用塑料棚，鋁棒，保鮮薄膜等。