基于AVR的西瓜生产温室防灾控制系统

一、项目概述

1.1 引言

温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。随着农业现代化的发展，设施农业工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。本项目以AVR芯片为控制芯片，设计了一套适用于当前西瓜生产的温室防灾控制系统。

1.2 项目背景

中国作为一个农业大国，"三农"问题关系到国民素质、经济发展，关系到社会稳定、国家富强、民族复兴。"十二五"发展规划中现代农业是的重中之重，我国农业生产靠天吃饭的局面仍未根本改变。农业基础设施条件还比较差，抗御自然灾害能力较弱。近年来，我国每年因气象灾害损失粮食1000亿斤左右。自然灾害呈加重态势，粮食生产风险越来越大。从而使如何减少气象灾害对农业生产的影响变得尤为重要。

温室是现代西瓜生产中必不可少的设施之一，其硬件投资大，内部环境稳定。为西瓜提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早成熟，最终将会给我们带来巨大的经济效益。但随着地球气候的多变性，最近几年各地气候变化无常，农村农作物受灾严重，今年江苏苏北地区西瓜生产因干旱影响很多西瓜枯死。华东、华南沿海地区的气候特点是高温高湿、台风频繁,所以,这些地区的温室大棚必须以降温、降湿,特别是要以能防御风灾为目标进行设计,其配套的环境自动监控系统也要以此为目标进行研制。2010年2月28日16时～3月1日3时，山东寿光遭遇了20年来的最大的降雪，降雪量达到25.6mm，地面积雪逾20 cm，约有30%的蔬菜日光温室发生变形，5%左右倒塌，使寿光及周边地区日光温室蔬菜生产造成严重损失。

本项目在了解了风暴和降雪的识别模式后,计划用ATmega16设计一套自动测控系统实现风灾雪灾自动测控和防御。

二、需求分析

2.1 功能要求

温室环境的检测及控制通过AVR单片机来实现。据有关资料表明,风压的大小在很大程度上取决于风速,一般7级(风速为13.9~17.1 m/s)大风吹到物体表面,能产生225.4 N/m2的压力,所以,7级以上的风将对大棚产生很大的摧毁力,因此风灾防御的关键是识别7级以上的风。为了说明方便,本方案把7级以上的风称为风暴。

华东沿海地区，近几年都有不同程度的降雪，由于降雪时温度较高，日光温室前屋面积雪的底部先开始融化，引起上部积雪下滑，积聚在前半部的积雪厚度达50 cm以上，突然增加的荷载造成了日光温室前部发生变形和倒塌。未能及时清除积雪的日光温室变形和倒塌较多，也有部分日光温室是在清除积雪过程中发生了变形和倒塌。原因是在清除下半部分积雪过程中，上半部分积雪沿防雨膜下滑，使积雪积聚于前部产生了较大的压力。最终会导致温室的坍塌。本项目只对雪灾报警，以减小雪灾危害。

1、风暴的识别与防御

（1） 风暴的特征分析

风暴的风力变化非常复杂,风暴经过时,强风、弱风交替发生,持续不断,如果根据风力大小来控制开关窗,将造成风暴期间不停地开、关窗;风暴解除过程中,强风、弱风也是交替发生,风力逐渐减小,风暴发生与解除的界限模糊而交叉。因此,只根据风力、风速来控制开、关窗将达不到控制要求,必须准确而又迅速地识别风暴的来临与解除。

（2） AVR单片机利用风速传感器识别风暴

使用多个传感器,输出层将输出各类风的识别结果。将一段时间内采集到的n个风速值作为输入值,单片机内部将输出识别结果,将根据风速大小分别设"风暴,7级以上的风", "风暴解除,为4及以下的风", "5、6级风"。并根据识别结果给出不同警告和操作。

(3) 风灾的自动防御

风灾自动防御基本模式是:当风暴自动测控系统检测到风速大于等于13.9 m/s时,就发出关窗指令,然后,系统再调用风暴识别模式,辨别是否是风暴,如果不是风暴,就恢复正常的控制模式;如果是风暴就保持关窗状态。风暴发生期间,就一直检测"风暴是否解除",当风暴解除了即恢复正常的控制模式。

2、雪灾的识别与防御。

雪灾往往由于大雪下的时间过长或过大，积雪的压力导致温室坍塌，所以及时清除或加固温室可以起到很大作用，目前农村遇到大雪时，工作人员都是整晚不睡觉，不定期的到温室里观察积雪情况，当积雪积到一定程度之后就