一种温室大棚多模式智能控制系统
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，涉及一种温室大棚多模式智能控制系统。
背景技术
健康城市从二十世纪80年代开始，逐渐成为全球性的行动战略。“菜篮子”工程为健康城市的建设作出了巨大的贡献。大棚蔬菜的生产和供应不仅关系到了居民的生活质量，还是国计民生的大问题。但是长期以来我国大棚生产面临诸多的挑战：
(1)大棚温度过高或过低，难以操控，且不利于农药降解，造成农残，对土壤和生态环境造成危害；
(2)大棚蔬菜光照难以达到适宜状态，影响植物的光合作用，造成蔬菜缺乏叶绿素、维生素C等营养成分的缺失和硝酸盐含量的增加，不利于居民的身体健康；
(3)大棚通风不好，蔬菜的矿物质营养含量不足；
(4)大棚智能程度过低，人工操控过多，人工成本过大，效率过低；
(5)在大棚的电路控制方面，使用强电控制的安全隐患过大，操控不便，控制的灵活性不足，时效性不强，控制精度有待提高。
因此，提供一种提升大棚控制智能化、模块化的多模式智能控制系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种温室大棚多模式智能控制系统，具有人工机械控制、红外遥控、智能自动控制三种模式。这些模式均可以通过弱电来控制强电，实现单相交流电机启停和正反转、三相电机启停和正反转。同时，该系统结合不同传感器，实现菜篮子大棚智能灌溉、智能采光、智能通风和智能控温等功能，从而使温室大棚处于有利于农作物生长的良好环境中，有利于降低农作物农药残余和硝酸盐含量，促进城市菜篮子工程的健康发展。同时该系统采取模块化设计，提高了系统的稳定性和适应性。
为实现上述目的，其具体方案如下：
一种温室大棚多模式智能控制系统，包括单片机，与单片机连接的转换开关、红外遥控器、环境传感器和被控设备；其中，
电源通过所述转换开关连接至所述单片机和所述被控设备，转换开关用于实现单片机与机械手工操控的双电源切换；
所述红外遥控器控制所述单片机是否接收环境传感器的检测信号，用于实现红外遥控手动控制，以及单片机根据环境传感器的检测信号自动控制两种控制模式；
所述被控设备包括单相交流电机和三相交流电机，单片机通过模块化继电器电路控制所述单相交流电机和三相交流电机的启停和正反转。
优选的，所述环境传感器包括湿度传感器、温度传感器、光敏传感器和土壤湿度传感器。
优选的，通过所述红外遥控器进行工作模式选择操作，包括
红外遥控手动控制，通过红外遥控器发送被控设备的控制信号；
自动控制，通过红外遥控器设置所述环境传感器的上下限阈值，单片机接收环境传感器的检测信号，并与所述上下限阈值进行比对，控制模块化继电器电路的选通。
优选的，所述当工作模式选择完成后，所述单片机对环境传感器进行检测，以检查单片机是否正常工作，如果没有正常工作，单片机则会停止执行下一步操作，直至下一周期接收到环境传感器的检测信号为止。
优选的，单片机通过驱动总板连接至若干模块化继电器电路，各模块化继电器电路接入电源包括三相电或单相电。
优选的，单片机通过模块化继电器电路控制所述单相交流电机和三相交流电机的电路包括：控制器、继电器一、继电器二、继电器三和驱动分板；其中，
继电器一、继电器二和继电器三采用同种类型继电器，所述继电器引脚3和引脚4是动触点，引脚5和引脚6为衔铁接线点，引脚7和引脚8为控制电路接线点；
三相四线制供电端的火线U接继电器一的引脚5，火线V接继电器二和继电器三的引脚5，火线W接继电器二和继电器三的引脚6；
所述继电器一、继电器二和继电器三的引脚3分别连接至三相交流电机的A、B、C三相输入端，继电器二的引脚4连接至三相交流电机的C相输入端，继电器三的引脚4连接至三相交流电机的B相输入端；
所述继电器一、继电器二和继电器三的引脚7、引脚8均与所述驱动分板电连接，所述驱动分板与所述驱动总板电连接，用于接收继电器通断的控制信号。
优选的，所述单相交流电机用于控制高负荷用电设备，包括风机以及小功率窗帘电机的控制，所述三相交流电机用于控制高负荷用电设备，包括运输设备、水泵和大功率窗帘的控制。
优选的，所述被控设备还包括电磁阀，所述单片机通过模块化继电器电路控制所述电磁阀，用于实现灌溉水路的通断自动控制。
优选的，所述被控设备还包括供暖灯，所述单片机通过模块化继电器电路控制所述供暖灯，用于实现灌溉水路的通断自动控制。
优选的，还包括与所述单片机电连接的显示屏，用于显示所述环境传感器的检测信号值，以及通过所述红外遥控器输入的设置信息。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
本发明提供了一种温室大棚多模式智能控制系统，具备人工机械控制、红外遥控、智能自动控制等操控模式，这些操控模式且均通过弱电来操控强电，具有安全性高、功能齐全、适应性广等特点，满足了城市菜篮子大棚控制系统的不同需要。本发明结合不同传感器，实现菜篮子大棚智能灌溉、智能采光、智能通风和智能控温等功能，可以确保农作物处于适宜的生长环境中。同时本发明采取模块化设计，提高了系统的稳定性和适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的温室大棚多模式智能控制系统框图；
图2是本发明实施例提供的单相电机下的智能控温、控湿系统电路图；
图3是本发明实施例提供的单相电机下智能运输控制电路图；
图4是本发明实施例提供的单相电机下自动窗帘控制电路图；
图5是本发明实施例提供的三相电机下自动窗帘控制电路图；
图6是本发明实施例提供的单相电机的启停和电机正反转控制电路图；
图7是本发明实施例提供的三相电机的启停控制电路图；
图8是本发明实施例提供的三相电机的正反转控制电路图；
图9是本发明实施例提供的驱动总板示意图；
图10是本发明提供的继电器的引脚图；
图11是本发明提供的温室大棚多模式智能控制切换原理图；
图12是本发明提供的温室大棚手动控制模式示意图；
图13是本发明提供的温室大棚自动控制模式示意图；
图14是本发明提供的温室大棚多模式智能控制下环境参数控制原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种温室大棚多模式智能控制系统，包括单片机，与单片机连接的转换开关、红外遥控器、环境传感器和被控设备；电源通过转换开关连接至单片机和被控设备，转换开关用于实现单片机与机械手工操控的双电源切换；红外遥控器控制单片机是否接收环境传感器的检测信号，用于实现红外遥控手动控制，以及单片机根据环境传感器的检测信号自动控制两种控制模式；被控设备包括单相交流电机和三相交流电机，单片机通过模块化继电器电路控制单相交流电机和三相交流电机的启停和正反转。
参见图11-13，通过一个三挡两节的转换开关实现单片机与机械手工操控的双电源切换。当旋转到一档时机械手动控制，旋转到0档时，未受控制，旋转到2档时，单片机控制。为了方便精确的管理大棚内部环境，单片机设置了红外遥控手动和智能控制两种控制模式，传感器初始化完毕后，单片机自动控制下又通过红外遥控器进行工作模式选择操作，包括：红外遥控手动控制，通过红外遥控器发送被控设备的控制信号；自动控制，通过红外遥控器设置环境传感器的上下限阈值，单片机接收环境传感器的检测信号，并与上下限阈值进行比对，控制模块化继电器电路的选通。其中智能控制模式是由单片机通过传感器采集环境数据，对比分析人工设定的参数基准值的来控制大棚的各项功能的运转；红外遥控手动模式是人工通过红外遥控器来控制大棚的各项功能的运转。
传感器初始化检测的目的是为了检测传感器是否正常工作，防止自动模式下无传感器导致参数紊乱进而引起系统异常工作。
当工作模式选择完成后，单片机对环境传感器进行检测，以检查单片机是否正常工作，如果没有正常工作，单片机则会停止执行下一步操作，直至下一周期接收到环境传感器的检测信号为止。
单片机通过驱动总板连接至若干模块化继电器电路，各模块化继电器电路接入电源包括三相电或单相电。参见附图9为驱动总板的引脚图，驱动总板上共有38只引脚，01-24两两一组接继电器的引脚7和引脚8，作为继电器驱动电路接口，而25-36为控制电路的控制信号接口，接收控制器的输出信号，用于控制继电器驱动电路工作，因此每个继电器在驱动板上匹配三个引脚。其VCC为+12V电源，GND为驱动总板总地线。
单相交流电机用于控制高负荷用电设备，包括风机以及小功率窗帘电机的控制，三相交流电机用于控制高负荷用电设备，包括运输设备、水泵和大功率窗帘的控制。下面给出用于控制不同交流电机的继电器电路模块，其中实施例中采用的继电器为同种类型继电器，参见附图10提供的继电器引脚图，继电器引脚1和引脚2为静触点，引脚3和引脚4是动触点，引脚5和引脚6为衔铁接线点，引脚7和引脚8为控制电路接线点。
参见图6为单相电机的启停和电机正反转控制电路图，用于实现基于继电器控制的单相电的启停和电机正反转。
通过弱电控制继电器控制电路的开合状态，进而控制与其常、动触点相连的电路的通断状态。这样，便实现了单相电启停的控制。
两个继电器便可实现单相电机正反转的控制，如图6，一个继电器的动触点与位置1和单相电火线相连，另一个继电器的动触点与位置2和单相电火线相连，改变两继电器的闭合状态便可实现正反转。本实施例中通过代码和外部开关实现了互锁。
参见图7为三相电机的启停控制电路图，用于实现基于继电器控制的三相电的启停。
为满足更大功率设备的需求，该控制系统设计了同样能适应于三相交流电的设备的操控模块。三相交流电机的工作原理为：在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组会产生一个旋转磁场。旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序U、V、W顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，则相序会改变，则磁场逆时针方向旋转，使三相电机反转。本发明利用大功率继电器HHC71A实现了对三相交流电机的启停和正反转控制。驱动板为继电器3、继电器4各分配两路继电器驱动电路接口，并分别与引脚7和引脚8电连接；驱动总板具有与继电器3、继电器4相对应的控制信号接口，且与控制器电连接。
三相四线制供电端的火线U接继电器1的引脚5，火线V接继电器2的引脚5，火线W接继电器2的引脚6；继电器一1、继电器二2的引脚3分别连接至三相交流电机19的A、B相输入端，继电器2的引脚4连接至三相交流电机19的C相输入端；继电器一1、继电器二2的引脚7、引脚8均与驱动分板13电连接，驱动分板与驱动总板电连接，用于接收继电器通断的控制信号。三相四线制供电端的零线N与三相交流电机19的A相、B相和C相输入端之间分别串联有指示灯26。驱动板控制继电器一1和继电器二2闭合时，三相交流电机19接入三相四线制供电端，开始工作，同时三盏相电路指示灯26通电，指示电路导通。
参见图8为三相电机的正反转控制电路图，用于实现基于继电器控制的三相电的正反转。
在负荷较大的应用场合，必须用到大功率的电机设备，比如输运环节，比如供水负荷较大时不适用电磁阀或单相水泵，必须要用到三相水泵时，比如一些斜坡大棚的遮阳窗帘的开合也可能用到三相电机，此时这些设备可以采用三相四线制的三相交流电机驱动。
继电器3、继电器4和继电器5采用同种类型继电器，继电器引脚1和引脚2为静触点，引脚3和引脚4是动触点，引脚5和引脚6为衔铁接线点，引脚7和引脚8为控制电路接线点；三相四线制供电端的火线U接继电器一1的引脚5，火线V接继电器4和继电器5的引脚5，火线W接继电器4和继电器5的引脚6；继电器3、继电器4和继电器5的引脚3分别变频器24的A相输出端、B相输出端和C相输入端，变频器24的A相输入端、B相输入端和C相输出端分别对应连接至三相交流电机19的A、B、C三相输入端，继电器4的引脚4连接至变频器24的C相输入端，继电器5的引脚4连接至变频器24的B相输入端，变频器的作用通过变频的方式来调节传送带三相交流电机19的转速；继电器3、继电器4和继电器5的引脚7、引脚8均与驱动分板13电连接，驱动分板13与驱动总板电连接，驱动总板与单片机电连接，用于接收继电器通断的控制信号。三相四线制供电端的零线N与继电器3的引脚1相连接的通路上串联有指示灯一21；继电器4的引脚1与引脚2之间串联有指示灯二22；继电器5的引脚1与引脚2之间串联有指示灯三23。
本实施例中三相交流电机任意交换两相相序即可实现转动反转，继电器4和继电器5的相序相反。在保证继电器3正常工作情况下，通过改变继电器4和继电器5的通断可以实现三相交流电机正反转。本电路中指示灯接在常闭端，所以当系统总电源开启时，指示灯一21亮起，指示灯二22和指示灯三23熄灭，表示三相交流电机19未接入电源，当指示灯二22亮起，指示灯一21熄灭时，表示三相交流电机19正转，当指示灯三23亮起和指示灯一21熄灭时，表示三相交流电机19反转。
当系统进入智能控制模式，其窗帘、排风扇、加热灯、水泵将转变为单片机自动控制，传送带由于非必须开启，其使用情况不定，则继续采用人工控制。
环境传感器包括湿度传感器、温度传感器、光敏传感器和土壤湿度传感器。单片机将传感器采集到的环境参数：温度，土壤湿度，光强等参数与人为设定的上下限值比较，当参数低于下限或高于上限设定值的时候，实现相应的功能，例：当温度高于设定上限的时候，排风扇打开进行降温。其中参数基准值可以进入基准设置模式，根据实际需求进行设置。
参见图2为单相电机下的智能控温、控湿系统电路图。该系统可以实现智能通风、智能控温、以及智能灌溉(湿度控制)，输入电源为220V交流电，驱动分板连接驱动电路走线，14为调速器、16为供暖灯、18为电磁阀、15为单相交流电机。单片机通过模块化继电器电路控制电磁阀，可以用于实现灌溉水路的通断自动控制。单片机通过模块化继电器电路控制供暖灯，可以用于实现灌溉水路的通断自动控制。其他器件与前文相同。每个电机配置一个调速器，可以根据实际需要调节电机转速，图2中调速器为单相交流电机调速器，AC为220V交流电输入端，COM为调速器零线输出端，CO1和CO2为调速器火线输出端。单相电源通过调速器连接至单相电机和继电器6，单相电机与继电器6电连接；单相电源连接供暖灯和继电器7；单相电源连接电磁阀和继电器8；继电器6、继电器7和继电器8均通过驱动分板13连接至驱动总板17。
图2所示继电器电路模块可以用以实现如下智能控制功能：
智能通风的实现：
DS18B20温度传感器同单片机控制电路相连，由传感器探测到温度，当温度高于设定阈值的时候输出电信号，单片机控制电路转换电信号并输出，这一电信号输入到图2中继电器1控制电路，继电器工作，使被控制电路接通，排气扇工作，进行通风降温。当温度低于设定阈值的时候输出电信号，单片机控制电路处理电信号输出，这一输出信号输入到继电器控制电路，继电器工作，使被控制电路断开，排气扇停止工作。
智能取暖的实现：
DS18B20温度传感器同单片机控制电路相连，由传感器探测到温度，当温度低于设定阈值的时候输出电信号，单片机接受信号后，单片机处理电信号，打开图2中继电器7控制电路，继电器工作，使被控制电路接通，供暖灯工作，进行供暖。当温度高于设定阈值的时候，传感器输出电信号，单片机处理电信号，断开继电器的控制电路，继电器工作，使被控制电路断开，供暖灯停止工作。
智能灌溉的实现：
YL69土壤湿度传感器同单片机控制电路相连，由传感器探测到湿度，当湿度低于设定阈值的时候输出电信号，单片机处理接收到的电信号，给图2中继电器8控制电路供电，继电器工作，使被控制电路接通，电磁阀通电激活工作，使水流导通，水源抵达花洒开始喷水。当湿度高于设定阈值的时候输出电信号，单片机再次处理接收到的信号，断开继电器的控制电路，继电器工作，使被控制电路断开，电磁阀转换模式，使水流通道关闭，花洒停止喷水。
三相水泵的控制电路图可参见图7或图8，电磁阀适用于小型灌溉，而当灌溉负荷比较大的应用场合时，可以将电磁阀更换为单相水泵，甚至更换为如图7和图8电路中的三相水泵，其中19为三相水泵电机，其余与三相电机正反转电路相同，本电路中的驱动板(驱动板拓展)未在驱动总板中匹配端口，根据现实具体需求可以替换原来电路中的三相设备端口，也可以增设新的拓展总板。
图3为单相电机下智能运输控制电路图，用于实现单相电机控制的智能运输过程。传送装置主体由传送带、传动滚轮以及支撑架组成，底侧对称设置为支撑腿，传送带与旋转电机通过传动滚轮传动性连接。因传送带的的需求需由用户自己决定，故当需要使用传送带时，需要切换到红外遥控模式决定图3中继电器通电与否来实现正反转，图中3为220V交流输入电源，14为调速器，20为电容分相式异步交流电机。也可直接转到机械手工控制，由机械开关来控制继电器控制电路的通电与否。继电器9的引脚4与调速器14的CO2连接，引脚5与电容分相式异步交流电机20的A端连接，继电器10的引脚3与调速器14的CO1连接，引脚5与电容分相式异步交流电机20的B端连接。
负荷较大的应用场合的智能运输控制可以采用三相四线制的三相交流电机驱动，其电路图如图7-8所示，其中21为传送带启动指示灯、22和23为正反转指示灯、24为变频器、13为驱动分板，其中变频器的作用通过变频的方式来调节传送带三相电机转速。本系统中包含将单相电机的启停和正反转控制电路、三相电机的启停和正反转控制电路，用户可以根据实际需求是选择单相控制或是三相控制电路。
图4为单相电机下自动窗帘控制电路图，用于实现智能采光控制。电机与直线导轨相连，控制电机的正反转来控制滑块在直线上的往复运动。窗帘的一端与滑块连接，从而控制窗帘的开与合，窗帘拉到某一程度时再由接在线路中的限位器断开电机电路，让电机停止运转。光敏二极管模块敏传感器同单片机控制电路相连，继而由单片机控制继电器11和继电器12控制电机的正反转。如图4，图中标号25为限位器，当光强高于设定阈值时，单片机控制继电器左工作，使被控制电路接通，电机开始正转，拉上窗帘，当窗帘运动到限位器的触点位置时，限位器左的常闭端断开，电路断电，电机停止工作。当光强于设定阈值时，单片机控制右继电器工作，使被控制电路接通，电机开始反转，合上窗帘，当窗帘运动到限位器的触点位置时，限位器右的常闭端断开，电路断电，电机停止工作。
窗帘的展开和闭合是有极限的(完全展开和完全闭合)，此时需要给电路断电，防止窗帘行程越界。限位器直接接在电路火线上，安装在窗帘轨道的两头，当窗帘行程达到极限时，会触碰到限位器的触点，使得限位器常闭端断开，电路断电，电机停转。
正常状态下，限位器常闭端受内部闭合弹簧的弹力限制，为闭合状态(所以称其为常闭端)，当触点受力，弹簧挤压，常闭端会因此断开，图中限位器目前状态为常闭端闭合状态。
参见图5为三相电机下自动窗帘控制电路图，其中26和27为限位器，因为三相电机缺相运行是很危险的，所以限位器装在继电器的驱动电路上，当限位器被触发时，直接断开三相电源，即同时断开继电器1和2(正转)或者1和3(反转)的驱动电源，让窗帘停下来，其余设备同图8所示。
本实施例还提供了手动控制模式实现对温室大棚的整体控制。其中包括机械手动控制和红外遥控手动模式，机械手动控制由两个三挡一节的转换开关控制电机的正反转，当旋转到1档时电机正转，旋转到0档时，电机停止工作，旋转到2档时，电机反转；由3个开关实现对补光供暖灯，电磁阀，排风扇电机的供电。遥控控制过程为：系统进入红外遥控手动模式，所有功能的实现将全部通过红外遥控来实现，单片机接收到控制信号以后，做出相应的处理，配置IO口高电平或者低电平，通过放大电路来控制继电器的吸合/断开，来控制窗帘，传送带，排风扇，加热灯，水泵的工作，进而改变温度湿度光强等环境参数。
本系统中还包括与单片机电连接的显示屏，用于显示环境传感器的检测信号值，以及通过红外遥控器输入的设置信息。包括如下显示界面：
模式选择界面，在这个界面，我们可以通过红外遥控器来选择整个大棚要进入的工作模式：红外遥控手动模式/智能控制模式。
传感器初始化界面，当选择了工作模式以后，单片机会对传感器进行检测，以检查单片机是否正常工作，如果没有正常工作，单片机则会停止执行代码，并等待传感器的正常工作为止，这样是为了防止没有传感器的工作的情况下，进入了自动模式，单片机读取的错误参数导致系统非正常运转。
参数显示界面，当正常进入工作模式以后，在这个界面上显示着空气温度，空气湿度，土壤湿度，环境光强四个大棚环境指标。
设定选择界面，此界面显示了设定内容选项，1是温度设置，2是湿度设置，3是光强设置。
基准设定界面，此界面显示着max和min分别是基准的上下限值。其中温度基准值中，有一个top设定，top是大棚能承受最高温度，当温度高于这个界限时，启动排风扇，为大棚降温。
内部基准值界面，这里可以显示所有的基准值，按下回退键可以返回至上一界面。
本系统市场化应用可以将整体控制系统置于配电箱之中集中管理。具体方案如下：将所有控制系统和继电电路绘制在一块电路板上，让绝大多数走线隐藏在板内，这样可以使整个配电箱更美观，用户仅需要简单接线便可以正常使用。对不同功能控制继电器电路模块化，这样有利于使用者对于单个功能的维修管理，便于根据客户需要增减功能模块。
以上对本发明所提供的一种温室大棚多模式智能控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
