摘要：系統(tǒng)設計包含太陽能供電和環(huán)境智能監(jiān)控兩模塊，利用太陽能光伏組件陣列進行光電轉換為系統(tǒng)提供電能，并且采用了MPOT和自跟蹤的方法，實現(xiàn)對太陽能的高效率利用。借助傳感器和微處理器實現(xiàn)環(huán)境智能監(jiān)控，所控制的因子有溫度、濕度、CO2濃度以及光照，使農作物生長在最為合適的環(huán)境中，提高農作物產量與質量。
關鍵詞：溫室；單片機；太陽能光伏組件陣列；傳感器

0 引言
    為適應市場的需求，目前溫室大棚在國內外都得到了廣泛的應用，其中以美國、日本、荷蘭等國家發(fā)展最為迅速，基本實現(xiàn)了環(huán)境智能監(jiān)控和遠程監(jiān)測。而在國內，大部分溫室大棚未采用智能控制技術，且存在環(huán)境控制能力低、自動化程度落后、價格昂貴等缺點，這在很大程度上降低了溫室農作物的產量與質量，因此，廣泛實現(xiàn)溫室的智能監(jiān)控很有必要。此外，維持溫室大棚的正常運行需要提供充足的電能，而一般大型的溫室大棚位于離居民生活區(qū)較遠的空曠地區(qū)，對電能的利用并非很方便，但是太陽能資源豐富，因此如何實現(xiàn)對太陽能的利用成為一個值得思考與解決的問題。

1 設計思想
    要實現(xiàn)對太陽能的利用，可以借助于太陽能電池實現(xiàn)光電轉換，近年來太陽能電池的轉換效率與使用壽命都有了很大的提高，目前單晶硅的轉換效率可達30％左右。因此利用太陽能光伏系統(tǒng)為溫室大棚供電成為了可能，為提高太陽能利用率，可采用MPPT和光伏系統(tǒng)自跟蹤技術。影響農作物的生長因子主要有：溫度、濕度、CO2濃度以及光照。實現(xiàn)對各生長因子的智能控制，能很大程度地提高農作物的產量與質量。
    基于太陽能供電的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 模塊化設計
2．1 太陽能供電模塊
    該模塊主要包含MPPT的實現(xiàn)、蓄電池充放電監(jiān)控、自跟蹤系統(tǒng)以及電壓轉換4個部分。MPPT的實現(xiàn)和自跟蹤系統(tǒng)均是為了實現(xiàn)太陽能更高效率的利用，蓄電池充放電監(jiān)控則是對蓄電池、太陽能光伏組件陣列以及負載的保護，電壓轉換使得該系統(tǒng)可為各種交流和直流負載供電。太陽能供電模塊框圖如圖2所示。

2．1．1 MPPT的實現(xiàn)
    MPPT即最大功率點跟蹤，是指控制器能夠實時偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值，使太陽能電池板以最高的效率對蓄電池充電。MPPT控制的原理實質上是一個自動動態(tài)尋優(yōu)的過程，通過功率的比較來改變占空比和脈寬調制信號，進而改變太陽能電池板的工作負載，改變輸出功率點的位置，以達到最優(yōu)。實現(xiàn)MPPT通常需要斬波器來完成DC／DC轉換，斬波電路分為BUCK電路和BOOST電路。本文中利用BUCK變換器來實現(xiàn)MPPT，通過調節(jié)BUCK變換器的PWM占空比輸出，使負載等效阻抗跟隨太陽能光伏組件陣列的輸出阻抗，從而使光伏陣列在任何條件下均可獲得最大功率輸出。BUCK電路實際上是一種電流提升電路，主要用于驅動電流接收型負載，直流變換通過電感完成，其電路圖如圖3所示。

    BUCK電路輸出與輸入滿足關系：
   
    故通過調節(jié)占空比即可調整輸出負載，從而可使太陽能光伏組件陣列工作在最大功率點。占空比的調節(jié)是通過控制Q基極電壓來實現(xiàn)，可借助于單片機編程加以控制。
2．1．2 蓄電池充放電監(jiān)控電路
    蓄電池充放電監(jiān)控電路是為了防止蓄電池組過充、過放等現(xiàn)象，蓄電池組在整個系統(tǒng)中起到儲存與提供能量的作用，在硬件上可借助于單片機來實現(xiàn)，其軟件程序流程圖如圖4所示。

2．1．3 自跟蹤系統(tǒng)
    為了實現(xiàn)對太陽能更大限度的利用，要保證太陽光每時每刻都垂直照射在太陽能電池板上，即太陽能電池板必須跟隨這太陽的運動而運動。目前常用的自跟蹤方法有勻速控制方法、光強控制方法、時空控制方法。為了方便實現(xiàn)并達到較好的跟蹤效果，可以將勻速控制法與光強控制法相結合。并通過對實際光強與設定值的比較，分別采取緊跟蹤、疏跟蹤以及不跟蹤的措施。在硬件上可以通過單片機、太陽光跟蹤傳感器、光強測定器等實現(xiàn)。
2．1．4 太陽能應用于溫室的前景
    目前使用太陽能光伏陣列進行供電需要占用一定的土地資源來安放太陽能電池板，然而現(xiàn)在已經生產出了半透明太陽能組件，此外透明太陽能電池組件也在進一步研究中，這使得將太陽能電池安裝在溫室頂部成為了可能。而且太陽能電池的轉換效率在不斷提升，因此太陽能光伏系統(tǒng)的廣泛使用將成為必然趨勢。
2．2 智能監(jiān)控模塊
    智能監(jiān)控模塊的主要部分為傳感器模塊、A／D轉換模塊、微處理器以及各因子的控制設備。
2．2．1 傳感器的選取
    測溫設備選擇SLST系列數(shù)字傳感器，它是采用美國Dallas半導體公司的DS18B20數(shù)字化溫度傳感器，為不銹鋼外殼封裝，防水防潮，且具有高靈敏度和極小溫度延遲，現(xiàn)場溫度以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。其測溫范圍為-55～+125℃，溫度準確度為±0．5℃，可直接將溫度轉換為串行數(shù)字信號供單片機處理。溫室內濕度的測量采用JCJ100MH濕度變送器，其采用高精度濕敏電容進行測量，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、準確度高和使用壽命長等特點。其工作環(huán)境為-40～80℃，輸出電壓范圍為0～5 V，濕度測量范圍為0～100％，均滿足溫室測量的需求。土壤濕度的測量采用高精度土壤水分傳感器，它采用世界先進技術的土壤濕度傳感器，精密、可靠、耐
用，可直接連接至數(shù)據采集器，可長期埋設在地下任意深度，連續(xù)測量，其測量范圍為0～100％，工作電壓為7～15 V，輸出0～1．1 V的電壓信號，可經適當放大后供A／D轉換。光照度的測定可以采用KITOZER系統(tǒng)光照度變送器。該種變送器以對弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器為傳感器，具有測量范圍寬、線性度好、防水性能好、傳輸距離遠等特點，其工作電壓為12～30 V，測量范圍為0～200 000 LUX，支持二線制4～20 mA電流輸出、三線制0～5 V電壓輸出、液晶顯示輸出以及RS 232，RS 485網絡輸出，適合在溫室大棚環(huán)境下使用。CO2濃度的測定可采用FIGARO公司生產的TGS4160，它是一種固態(tài)電化學型CO2傳感器，具有體積小，壽命長，選擇性和穩(wěn)定性好等特性。因為它的預熱時間較長，故適合在室溫下長時間通電連續(xù)工作。它的測量范圍為0～5 000 ppm，使用壽命2 000天，內部含有熱敏電阻起補償作用。通過各傳感器獲得電信號，經A／D轉換后輸入單片機與所需要的設定值相比較，然后控制相應的設備來對各因子進行調節(jié)。
2．2．2 各生長因子的控制
    農作物生長因子主要是指溫度、濕度、CO2濃度以及光照。
    溫度  升溫設備可以采用熱水鍋爐、燃油鍋爐、太陽能加熱器等，鑒于室外太陽能資源充足，白天可采用太陽能加熱器加熱，實現(xiàn)光能向熱能的直接轉換，在太陽不足時，采取電加熱器，由蓄電池組供電。降溫設備采用濕簾風機，其中通風設備采取強制通風的方式，即利用風機產生風壓強制空氣流動降溫，濕簾是利用水蒸發(fā)吸熱的原理來降溫，二者的結合作用能力強，效果穩(wěn)定。
    濕度  當實際濕度低于所需要濕度時，可以通過控制安裝在大棚頂端的噴嘴來實現(xiàn)，通過噴霧來提高濕度，同時又不至于使得濕度過大。當濕度過高，則可以通過通風來降低，這是利用濕度差來進行室內外的空氣交換實現(xiàn)。
    CO2濃度  CO2的濃度直接影響著農作物的產量與質量，合適的CO2濃度可能達到40％～200％的增產。大氣中的CO2濃度僅為350 ppm，在溫室中需要提高CO2濃度，可利用CO2發(fā)生器來實現(xiàn)，采用化學反應、燃煤、燃氣等方式來產生CO2，當CO2濃度過低時，即可通過控制CO2發(fā)生器的開關來提高。當濃度過高時，通過打開通風機即可。
    光照  光照的控制設備為遮陽設備和補光設備，當光照過強時，可借助遮陽設備來實現(xiàn)，當光照過弱時，可利用補光燈來實現(xiàn)，而且補光燈開啟的數(shù)量受外界光照的影響，最終達到較為合適的光照強度。
2．2．3 A／D轉換
    A／D轉換采用TLC1549，將各傳感器所采集的模擬電信號轉換為數(shù)字量輸入單片機進行處理，對各因子加以控制。TLC1549為逐次比較型10位A／D變換器，其片內自動產生轉換時間脈沖。轉換時間小于21μs。其具有固有的采樣保持電路，終端兼容TLC549，TLV549，采用CMOS工藝，有2個數(shù)字輸入和1個三態(tài)輸出，可和微處理器直接相連。
2．2．4 軟件實現(xiàn)
    該系統(tǒng)中所采用的單片機可以選擇51／52系列單片機，如AT89C51。通過單片機編程來實現(xiàn)對各種設備開關的控制，其控制流程圖如圖5所示。

3 結語
    該系統(tǒng)實現(xiàn)了對太陽能資源的有效利用，采用MPPT和自跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)高效率轉換，且可以較好地智能控制農作物各生長因子，使得農作物生長在最為合適的環(huán)境中，大大提高了農作物的產量與質量。本文中所涉及的只是單間溫室的智能控制，然而可以通過通信接口RS 232與上位機進行通信，實現(xiàn)集散控制，這樣可以大大提高總體工作效率。