武小衛(wèi)，朱悠然

（1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300）

南疆低成本番茄溫室智能控制系統(tǒng)

武小衛(wèi)1，2，朱悠然1，2

（1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300）

南疆地區(qū)晝夜溫差大，蔬果資源欠缺，急需發(fā)展溫室大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)。目前，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶日光溫室大棚取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但仍存在生產(chǎn)效率低下，溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等缺點(diǎn)。文章針對(duì)溫室大棚的控制問(wèn)題及南疆地域特色并依據(jù)智能溫室內(nèi)部的光照、溫度、濕度、土壤濕度等環(huán)境條件，設(shè)計(jì)了一種南疆低成本溫室控制系統(tǒng)。采用反饋調(diào)節(jié)模式，使調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高；結(jié)合番茄生長(zhǎng)特點(diǎn)采用滴灌式水肥控制方案，能精確控制水肥供給與番茄根部水肥遷移規(guī)律。相比于傳統(tǒng)日光溫室，該溫室具有建造綜合成本低，操作性高，便于控制，資源利用率高等優(yōu)勢(shì)。

南疆；溫室；智能控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

南疆以種植業(yè)為主，但冬季寒冷夏季炎熱，環(huán)境惡劣，風(fēng)沙大，光照、溫濕度等不好調(diào)控。而目前日光溫室存在采光率低，墻體的通風(fēng)排氣性能不足，土壤水含量不確定等問(wèn)題，致使在增產(chǎn)效益中投資高，能源消耗大。同時(shí)日光溫室可利用面積小，產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量低，導(dǎo)致蔬菜成本加大，當(dāng)?shù)叵亩臼卟瞬藘r(jià)高，供需矛盾增加。

為了提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益和改善溫室可操作性能，有必要對(duì)日光溫室進(jìn)行改進(jìn)。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)日光溫室存在的土地占有率低、產(chǎn)量有待提升、通風(fēng)排氣和可操作性及自動(dòng)化性能較差等問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)、客觀的分析，探討性地提出了采用針對(duì)南疆地區(qū)普通日光溫室與智能控制系統(tǒng)相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而有效改善新疆南疆地區(qū)日光溫室產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)效益不高的問(wèn)題，提高夏冬季蔬菜產(chǎn)量和質(zhì)量，減小生產(chǎn)成本，從而從根本上解決新疆南疆地區(qū)夏冬季產(chǎn)量與市場(chǎng)的供需矛盾。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)主要以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，整個(gè)系統(tǒng)由空氣溫濕度控制模塊、土壤濕度控制模塊、光照補(bǔ)償控制模塊組成。空氣溫濕度模塊的工作模式為：用戶設(shè)定溫濕度標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)環(huán)境溫濕度偏離標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，控制設(shè)備自啟動(dòng)。土壤濕度控制模塊的工作模式為：利用YL-69濕度傳感器測(cè)出濕度模擬數(shù)據(jù)，與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值作比較，當(dāng)測(cè)量值偏離設(shè)定值區(qū)間時(shí)，啟動(dòng)控制水泵。光照補(bǔ)償控制模塊的工作模式為：設(shè)定一個(gè)光照傳感器有效動(dòng)作的區(qū)間段，在此區(qū)間段內(nèi)，當(dāng)溫室大棚內(nèi)的光照不足時(shí)，光敏電阻發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，控制繼電器模塊，繼電器模塊再控制補(bǔ)光系統(tǒng)開(kāi)始補(bǔ)光，到達(dá)設(shè)定的時(shí)間后，自動(dòng)停止補(bǔ)光。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）控制核心模塊。主CPU電路選用STC89C52RC系列單片機(jī)，如圖1所示。STC89C52RC是采用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，同時(shí)還具備傳統(tǒng)51單片機(jī)所沒(méi)有的功能。最高工作時(shí)鐘頻率為35MHz，片內(nèi)含8K字節(jié)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，全雙工串行口。工作電壓：3.3-5.5V,工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級(jí)）/0～75℃（商業(yè)級(jí)），采用PDIP封裝。

圖1 STC89C52RC最小系統(tǒng)

（2）空氣溫濕度控制模塊?？諝鉁貪穸瓤刂颇K主要利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集終端，整個(gè)控制模塊完全采用總線控制方式以及串行口通信協(xié)議。數(shù)據(jù)的分析與處理主要由STC89C52RC單片機(jī)來(lái)完成。模塊由控制電路、顯示電路以及按鍵電路構(gòu)成，其中按鍵電路主要用來(lái)鍵入溫濕度準(zhǔn)確值，1602用于數(shù)據(jù)顯示和提示用戶，控制器用于調(diào)節(jié)和控制不符合要求的溫、濕度。HT11數(shù)字溫濕度控制電路如圖2所示。

圖2 DHT11溫濕度控制電路

（3）自動(dòng)灌溉控制電路的設(shè)計(jì)。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電路如圖3所示。當(dāng)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)打開(kāi)運(yùn)行之后，首先會(huì)進(jìn)行初始化狀態(tài)，并獲取人工設(shè)定的濕度值。主循環(huán)判斷當(dāng)前濕度大小，判斷當(dāng)前的濕度是否低于設(shè)定值，假如低了，繼電器將驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行抽水灌溉。另外由于干擾的存在及傳感器輸出的信號(hào)相對(duì)較弱，需要在軟件設(shè)計(jì)中加入抗干擾措施。

圖3 土壤濕度控制電路

（4）光照補(bǔ)償控制模塊的設(shè)計(jì)。光照是植物生長(zhǎng)的必要條件之一，植物的生長(zhǎng)與光照時(shí)間有著極為密切的關(guān)系。南疆地區(qū)的春季會(huì)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的沙塵暴天氣，植物生長(zhǎng)往往會(huì)面臨光照不足的問(wèn)題，因此有效地利用人工補(bǔ)光手段來(lái)促進(jìn)植物的光合作用具有極為重要的意義。設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 光照補(bǔ)償控制模塊電路圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

3.1 材料與方法

（1）試驗(yàn)材料。設(shè)計(jì)完成的單片機(jī)控制系統(tǒng)如圖5所示。由于只需要測(cè)試系統(tǒng)的性能參數(shù)并為了降低實(shí)驗(yàn)成本，因此選用小型溫室大棚來(lái)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)試驗(yàn)棚。本次試驗(yàn)采用了16個(gè)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，分別布置在距離作物垂直高度的50cm處的位置并在空間位置上呈對(duì)稱均勻分布；棚內(nèi)土壤中共布置了36個(gè)YL-69濕度傳感器，傳感器插入土壤中約3.5cm處的位置，橫向距離每隔1.5m布置一個(gè)YL-69濕度傳感器，縱向距離每隔1m布置一個(gè)；光照補(bǔ)償模塊采用了6個(gè)光敏電阻傳感器，分別布置在試驗(yàn)棚的四角及中心位置處；試驗(yàn)棚還裝設(shè)了5組噴淋系統(tǒng)、3個(gè)風(fēng)扇和8套LED補(bǔ)光燈，用于棚內(nèi)的溫濕度補(bǔ)償及光照補(bǔ)償。

圖5 濕室控制電路實(shí)物

（2）試驗(yàn)方法。本實(shí)驗(yàn)在作物實(shí)際生長(zhǎng)的試驗(yàn)環(huán)境條件下進(jìn)行系統(tǒng)的模擬測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試采用非全天候分時(shí)段的測(cè)試方法。試驗(yàn)前先對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的初值進(jìn)行設(shè)定，棚內(nèi)溫度范圍是24.5～27.5℃ ，棚內(nèi)濕度范圍是45.5%～55%，土壤濕度范圍是55%～65%，光照補(bǔ)償有效時(shí)間大約為2h，并設(shè)定光照補(bǔ)償模塊的有效補(bǔ)光的起始時(shí)間是北京時(shí)間22點(diǎn)整。主要的輔助補(bǔ)償設(shè)備有換氣扇、加熱裝置、噴淋裝置、滴灌裝置、補(bǔ)光裝置。由于各種補(bǔ)償裝置起作用需要一定的緩沖時(shí)間，因此系統(tǒng)采用定時(shí)條件下的自啟動(dòng)控制模式。每天從早上九點(diǎn)開(kāi)始每隔一小時(shí)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄一次，到凌晨?jī)牲c(diǎn)時(shí)記錄結(jié)束，全天持續(xù)記錄17個(gè)小時(shí)，共記錄17組有效數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 南疆低成本智能溫室控制系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 結(jié)果與分析

由于環(huán)境的晝夜溫差較大，測(cè)試系統(tǒng)得到了較為明顯的試驗(yàn)結(jié)果。由表1可以看出系統(tǒng)從九點(diǎn)開(kāi)始測(cè)定棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)，此時(shí)棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)指標(biāo)在設(shè)定的范圍之外，噴淋裝置和加熱裝置處于開(kāi)啟狀態(tài)，而土壤濕度在設(shè)定的范圍之內(nèi)，水泵處于關(guān)閉狀態(tài)。光照補(bǔ)償模塊未到啟動(dòng)時(shí)間，處于關(guān)閉狀態(tài)。此后棚內(nèi)的溫濕度開(kāi)始進(jìn)入到上升狀態(tài)，11點(diǎn)時(shí)溫濕度模塊關(guān)閉，而土壤濕度模塊開(kāi)啟。由于系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有一定的延遲效果，所以伴有一定的遲緩性。系統(tǒng)的整體執(zhí)行效果使棚內(nèi)的環(huán)境值基本保持在設(shè)定范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期的效果，整體運(yùn)行穩(wěn)定，總體造價(jià)遠(yuǎn)低于全套智能一體化溫室大棚控制設(shè)備。

（2）系統(tǒng)在大棚的環(huán)境條件下依然能夠正常運(yùn)行，因此該系統(tǒng)具有一定的推廣價(jià)值。

（3）該系統(tǒng)還缺乏大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)作為系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件支撐，還需進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)域化的推廣應(yīng)用來(lái)不斷積累數(shù)據(jù)。

［1］王浩云，劉佼佼，侯思宇，等.信息物理系統(tǒng)（cyber-physical system）時(shí)空建模方法及在溫室控制中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，（15）：183-190.

［2］方簫.基于STM32的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2014.

［3］覃貴禮，潘澤鍇.基于PLC技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)［J］.河池學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，（2）：108-113.

［4］覃貴禮.智能溫室控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［D］.南寧：廣西大學(xué)，2012.

［5］戴星，謝守勇，何炳輝，等.基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007，（1）：129-132.

Low Cost Intellective Controlling System in Tomato Greenhouse for Southern Xinjiang

WU Xiao-wei1，2，ZHU You-ran1，2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300，China；2.The Key Laboratory of Colleges&Universities under the Department of Education of Xinjiang，Alar，Xinjiang 843300，China）

Southern Xinjiang,where the climate with large temperature difference day and night,lack of fruit and vegetable resources，it is urgent to develop greenhouse and other agricultural facilities.At present，the local farmers have obtained a certain economic benefits by using sunlight greenhouse，but low productivity and simplicity in greenhouse structure should also be solved. Aiming at the control problem of greenhouses，the regional principles of southern Xinjiang and the lighting,temperature，humidity，soil moisture and other environmental conditions of intelligent greenhouse，this paper designs a low-cost greenhouse control system for southern Xinjiang.Using the mode of feedback，it has advantages of faster speed and higher degree of accuracy；using the control scenario of drip fertigation with the characteristics of tomato growth，and can more accurately control the supply of water and nutrients and the transformation of water and nutrients in tomato.Compared to traditional solar greenhouse，the greenhouse is with lower cost，higher operability，easier to control and higher resource utilization.

southern Xinjiang；greenhouse；intelligent control system；design

S24；S-3

A

2095-980X（2017）06-0080-02

2017-04-17

大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2016033）。

武小衛(wèi)（1993-），男，河北張家口人，大學(xué)本科。