基于作物茎流和FPGA的温室环境控制系统设计

【摘要】温室作为设施农业的典型代表,在解决我国蔬菜供应、增加农民收入等方面发挥着重要的作用。温室环境是影响作物产量和品质的关键因素之一,因此设计一种柔性温室硬件控制器不仅可以降低成本,而且可以为后期的二次开发提供更好的平台。本文采用现场可编程门阵列FPGA作为核心器件,前级采用作物茎流仪采集作物生长参数,控制器中采用信息集成的方法,设计了一种温室实时控制系统,主要工作如下：1.在分析国内外温室环境控制系统以及温室环境因子对温室作物生长参数影响的基础上,结合课题的要求,提出并确定了以FPGA.茎流仪和驱动电路相结合的温室环境控制系统及试验的整体方案。2.完成了整个系统的硬件设计。硬件系统主要包括电源模块、FPGA核心模块以及继电器驱动模块。电源模块由开关电源提供FPGA模块以及继电器驱动模块工作所需的工作电压；FPGA核心模块完成数据的采集、处理、显示、传输以及控制逻辑的产生；控制逻辑的高低电平经继电器驱动模块驱动温室内执行机构进行动作。3.完成了整个FPGA核心模块的程序以及上位机监控界面的设计。FPGA核心模块包括以下6个功能模块：数据采集模块、分频模块、数据显示模块、超限报警模块、数据传输模块以及温室环境控制模块。使用硬件描述语言VerilogHDL进行模块化设计,最后在顶层模块中例化各底层模块,完成系统的程序设计,并对完成的系统进行编译、综合。上位机监控界面使用VC6.0进行设计,包括参数设置模块、数据采集模块、控制命令发送模块、当前信息显示和信息存储模块。4.使用FPGA专业仿真软件Modelsim,对编译、综合通过后的程序进行时序仿真,验证系统的功能。成功通过仿真之后,将此系统移入到温室中进行试验验证,验证此温室环境控制系统在夏季温室中的降温效果。试验表明,此系统可以根据温室环境的变化,实时地给出控制策略,使温室内环境平稳变化,为作物生长提供适宜的环境。5.应用专业的统计分析软件MINITAB,对黄瓜的茎流速率和叶面温度及其影响因子之间的关系做相关性分析,得出相关性的大小；再对它们使用回归分析的方法,得出回归模型：(1)茎流速率与温室环境的回归方程为：y(g/h)=0.161×1(℃)0.0176×2(％)+0.752×3(W/m2)；(2)叶面温度与温室环境及作物茎流速率的回归方程为：y1(℃)=0.892×1(℃)+0.0398×2(％)+0.00650×3(W/m2)-0.00472y(g/h)。结果表明此回归模型具有显著性意义,预测数据与实测数据拟合得较好。
【作者】柳爱珍；
【导师】汪小旵；
【作者基本信息】南京农业大学，检测技术与自动化装置，2013，硕士
【关键词】温室环境；FPGA；茎流速率；叶面温度；

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