張　勝　王海曉　翟龍濤　劉志遠(yuǎn)

（德州學(xué)院　機(jī)電工程學(xué)院，山東　德州　253023）

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新型智能無人大棚的研究與設(shè)計

張勝王海曉翟龍濤劉志遠(yuǎn)

（德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東德州253023）

摘要：新型智能無人大棚是立足于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，利用多元化的控制及傳感技術(shù)來促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。大棚由型號為51的單片機(jī)與嵌入式linux操作系統(tǒng)和ARM處理器等器件組成核心控制系統(tǒng)，并配合土壤濕度檢測加濕裝置、溫度控制模塊、GMS短信模塊、太陽能供電能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等，一舉實現(xiàn)對大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理?？偟膩碚f，一方面多種先進(jìn)技術(shù)的綜合利用實現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的規(guī)范化、自動化生產(chǎn)發(fā)展，減少了人力資源的投入；另一方面，太陽能和風(fēng)能的綜合利用，響應(yīng)了國家節(jié)能減排的政策號召，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時所需要的大量能源消耗，實現(xiàn)環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)跨越式發(fā)展。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；單片機(jī)；智能調(diào)節(jié)；遠(yuǎn)程管理；節(jié)能減排

經(jīng)過近40年的改革與發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)進(jìn)入一個新的發(fā)展階段。新階段下農(nóng)業(yè)繼續(xù)朝著多樣化、優(yōu)質(zhì)化、智能化的大方向發(fā)展。因此，要加快農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐，就必須把高科技應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，大力拓寬農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)增收道路，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)步伐。新型智能無人大棚屬生態(tài)保護(hù)型項目，對環(huán)境無任何污染和破壞。不僅符合人們“環(huán)?！薄熬G色”“無污染”的消費理念，同時也提高了農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，著力建設(shè)環(huán)境優(yōu)美的新農(nóng)村。

1　系統(tǒng)簡介

1.1作品組成部分

新型智能無人大棚由核心控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成。其中，核心控制系統(tǒng)采用型號為51的單片機(jī)與嵌入式linux操作系統(tǒng)和ARM處理器相結(jié)合共同構(gòu)成，在整個棚內(nèi)設(shè)施中起主導(dǎo)支配作用；執(zhí)行系統(tǒng)由土壤濕度檢測加濕裝置、溫度監(jiān)測與控制模塊、GMS短信模塊、太陽能供電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電能源裝換機(jī)組組成?？刂葡到y(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)的全方位無縫隙配合，實現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚能源自給自足、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理的多項功能［1］。

1.2單片機(jī)主控系統(tǒng)

新型智能無人大棚單片機(jī)控制系統(tǒng)由型號為51的單片機(jī)與嵌入式linux操作系統(tǒng)和ARM處理器等組成，本控制系統(tǒng)主要主導(dǎo)對各個分模塊的信息輸送，同時對各個分模塊反饋的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、整理，并重新向各個分模塊發(fā)送調(diào)整完畢的執(zhí)行數(shù)據(jù)，即單片機(jī)主控系統(tǒng)可以全面代替人工來完成棚內(nèi)的調(diào)節(jié)管理工作。大棚管理者可以利用GMS短信模塊通過互聯(lián)網(wǎng)登錄An?droid客戶端遠(yuǎn)程智能獲取與處理作物生長過程中的各項狀況信息及環(huán)境參數(shù)，所以管理者足不出戶就可以便捷的管理新型智能無人大棚。

1.3土壤濕度檢測加濕模塊

該模塊主要有濕度計檢測模塊、水泵加濕裝置、顯示屏等器件構(gòu)成。在作物合理密植的情況下，每4m2土地就需要1個濕度檢測計實時監(jiān)測土壤的濕度狀況。當(dāng)濕度檢測計檢測模塊檢測到棚內(nèi)土壤濕度不夠時，控制系統(tǒng)會自行啟動水泵加濕裝置進(jìn)行抽水灌溉加濕作物土壤。同時，顯示屏?xí)@示棚內(nèi)濕度狀況。多項監(jiān)測裝置緊密配合，創(chuàng)造作物生長的最佳土壤條件。

1.4溫度控制模塊

模塊包括溫度傳感器、溫度計檢測模塊、風(fēng)扇散熱器、光暖加熱器和顯示屏等主要器件。當(dāng)溫度檢測計模塊檢測到棚中溫度偏高時，控制系統(tǒng)會使風(fēng)扇散熱器自動開啟，為作物生長的環(huán)境降溫；當(dāng)棚內(nèi)溫度偏低時，控制系統(tǒng)同樣會開啟光暖加熱器，達(dá)到棚內(nèi)升溫的目的。實時調(diào)控棚內(nèi)溫度，切實調(diào)節(jié)作物生長所需溫度，有利于作物生長。

1.5太陽能供電能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

太陽能供電能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要有太陽能板、蓄電池組、光敏傳感器、控制器和逆變器等組成。當(dāng)太陽升起時，光敏傳感器會接受到太陽光的信息，即能實現(xiàn)太陽能板跟蹤太陽的功能，提高太陽能利用率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池組等主要部件。外界自然風(fēng)吹拂風(fēng)力發(fā)電機(jī)時，可實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的功能，此系統(tǒng)發(fā)出的電能可通過安裝在地下的蓄電池組儲存起來，以輔助解決無風(fēng)或夜晚的電力短缺問題，太陽能和風(fēng)能的綜合互補利用完全可以保障新型智能無人大棚內(nèi)部設(shè)備用電需求，實現(xiàn)全天候電力的充沛供應(yīng)。不管是在郊區(qū)還是在遠(yuǎn)離電廠的荒郊野外，該棚都有一個獨立的能源自給系統(tǒng)，節(jié)能減排。

2　工作原理

新型智能無人大棚是立足于農(nóng)業(yè)，應(yīng)用現(xiàn)代化的技術(shù)來促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，大棚內(nèi)多元化利用傳感技術(shù)來保障農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。通過控制系統(tǒng)（主要由51單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)）和土壤濕度檢測計控制水泵加濕裝置，方便及時對作物土壤進(jìn)行濕度的調(diào)控；應(yīng)用溫度控制模塊通過控制風(fēng)扇散熱器達(dá)到降溫目的；當(dāng)棚內(nèi)溫度過低時，控制系統(tǒng)會開啟光暖加熱器給環(huán)境升溫，確保作物良好的生長環(huán)境；此外，新型智能無人大棚附帶的太陽能板具有自動跟光功能，切實提高太陽能的利用率（見圖1）。大棚還裝有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，將風(fēng)能應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。太陽能和風(fēng)能的綜合利用，響應(yīng)了國家節(jié)能減排政策的號召，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時所需的大量能源消耗。用戶可以通過GMS短信模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控棚內(nèi)的作物生長情況及各項環(huán)境參數(shù)，達(dá)到智能化、科學(xué)化、遠(yuǎn)程化、生態(tài)化的實際管理應(yīng)用效果。

圖1 產(chǎn)品主要部件及其模塊結(jié)構(gòu)工作原理圖

3　市場前景及應(yīng)用價值

目前，實際生產(chǎn)中的同類大棚智能化程度不高，且需大量的電力供應(yīng)設(shè)備及生產(chǎn)人員的前期投入，費用高昂。本大棚不需太多的人力來管理，基本上實現(xiàn)了無人化自行調(diào)節(jié)和管理。而且使用地點不受限制，可以廣泛地建設(shè)在有農(nóng)家樂的郊區(qū)、遙遠(yuǎn)的野外、山口或海邊的風(fēng)區(qū)等遠(yuǎn)離電廠地段，可自給電力需求達(dá)到節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用效果。另外，還有國家大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的政策支持，潛力巨大。

4　結(jié)語

新型智能無人大棚一方面解決了農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)中對人力資源的嚴(yán)重依賴性問題；另一方面，可以降低高昂的能耗降低成本，是一種集低碳、節(jié)能、環(huán)保、旅游于一體的新型農(nóng)業(yè)發(fā)展形式。該棚的出現(xiàn)更是促進(jìn)我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)又向前邁出了堅實的一大步?？梢哉f，多種技術(shù)的綜合利用正在進(jìn)一步實現(xiàn)我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的規(guī)范化、自動化生產(chǎn)發(fā)展。另外，應(yīng)用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)可以規(guī)避作物季節(jié)性旱澇的風(fēng)險，確保作物的增產(chǎn)高產(chǎn)。新型智能無人大棚還可以作為觀光旅游和生態(tài)農(nóng)業(yè)相結(jié)合的良好試點，游人既可以體驗到農(nóng)業(yè)的魅力，又可以享受來自鄉(xiāng)村的淳樸風(fēng)采。

參考文獻(xiàn)：

［1］秦曾煌.電工技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，1999.

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0048-02

收稿日期：2016-01-25

作者簡介：張勝（1993-），男，本科，研究方向：能源與動力工程。

Research and Design of a New Intelligent Unmanned Greenhouse

Zhang ShengWang HaixiaoZhai LongtaoLiu Zhiyuan
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Dezhou University，Dezhou Shandong 253023）

Abstract:The new intelligent greenhouse is based on the agricultural modernization,the use of diversified control and sensing technology to increase agricultural production and income.Greenhouse devices form the core of the control system that consists of models for 51 MCU and embedded Linux operating system and arm processor,and with the soil moisture detection humidifying device,a temperature control module,GMS SMS module,solar powered energy conversion systems and wind generator,we realized the remote monitor?ing,remote management of greenhouse.Total to say,the comprehensive utilization of a variety of advanced technology realized modern agriculture standardization and automation of the production development,reduc?ing the investment in human resources;on the other hand,comprehensive utilization of solar energy and wind energy,it responded to the national energy conservation and emission reduction policies,and reduced the large amount of energy consumed in the agricultural production,and realized the great leap forward de?velopment of environmental friendly agriculture.

Keywords:modern agriculture；singlechip；intelligent regulation；remote management；energy saving and emis?sion reduction