王振+王潔

摘 要：針對現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的問題，文中設(shè)計(jì)了基于分時(shí)電價(jià)的助農(nóng)車智慧棚。系統(tǒng)采用CC2530處理器作為控制中心，通過各種傳感器能實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)外環(huán)境因子的監(jiān)測、數(shù)據(jù)顯示和采集，不僅無需人工干預(yù)和操作，還可預(yù)防自然災(zāi)害，監(jiān)測是否存在擁有非法動(dòng)機(jī)的人群或者動(dòng)植物的入侵行為。

關(guān)鍵詞：分時(shí)電價(jià)；助農(nóng)車智慧棚

1 作品簡介

（1）控制系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下方案并進(jìn)行綜合論證。采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)變量，以實(shí)現(xiàn)既定的性能指標(biāo)。在IAR集成開發(fā)環(huán)境下，由STM32單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置。

（2）助農(nóng)車模塊

所有裝置都安裝在小車上，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)。采用齒輪、雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，地面灰度傳感器通過識(shí)別地面的黑線來移動(dòng)，將小車放在黑線上，黑線居于兩個(gè)地面灰度傳感器中間，通過程序控制，利用兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)行進(jìn)。

水泵安裝在小車前部，通過單片機(jī)程序調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，對泵壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同高度的噴施作業(yè)，可通過開關(guān)自動(dòng)控制噴藥施肥的高度。小車后部安裝兩根豎翼，在豎翼上安裝處于不同位置的噴頭，藥肥在水泵壓力下，通過噴頭噴灑到植株葉面。噴藥的噴頭可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使噴藥更為均勻。小車功能的實(shí)現(xiàn)都由程序控制，可隨時(shí)根據(jù)需要修改程序，以調(diào)整機(jī)器適應(yīng)實(shí)際工作條件。在不噴藥施肥時(shí)，通過安裝在小車上的攝像頭對整個(gè)大棚進(jìn)行監(jiān)測，并將其監(jiān)測畫面?zhèn)魉偷诫娔X上，方便實(shí)時(shí)查看。

（3）智慧棚模塊

該系統(tǒng)采用CC2530處理器作為控制中心，通過各種傳感器能實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)外環(huán)境因子的監(jiān)測、數(shù)據(jù)顯示和采集。

通過反饋系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)外氣候條件的變化，可對溫室的天窗、側(cè)窗、遮陽幕、鼓風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備進(jìn)行精細(xì)控制，完成溫室的通風(fēng)降溫、除濕、加濕、遮陽保溫、智能加溫、空氣繞流、補(bǔ)光補(bǔ)氣、科學(xué)灌溉、施肥、抗風(fēng)、防雨雪、pH值、EC值的檢測與調(diào)節(jié)、故障報(bào)警等功能。為溫室種植提供更易管理，便于操作的全新方法。

（4）其他輔助模塊

分時(shí)電價(jià)由程序?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)達(dá)到某些條件時(shí)，自動(dòng)選擇最近一段電量最低的時(shí)間段進(jìn)行操作；顯示模塊采用最小系統(tǒng)中的TFT LCD顯示；由電源模塊太陽能板供電，清潔能源低碳環(huán)保。

2 工作原理

因?yàn)闇厥沂卟嘶径汲手本€排列，且植株高度在同一時(shí)期基本一致，所以文中設(shè)計(jì)了一款采用STM32處理器的基于分時(shí)電價(jià)的太陽能智能噴藥施肥機(jī)，通過CC2530處理器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無線遙控、傳感器檢測、指示燈顯示等；上位機(jī)采用2410處理器，負(fù)責(zé)圖像處理、無線傳輸?shù)?。下位機(jī)部分包括傳感器采集模塊、電機(jī)控制模塊、無線電接收發(fā)送模塊、燒寫調(diào)試模塊。該小車搭載有儲(chǔ)存藥肥裝置和水泵，水泵可以自動(dòng)泵藥。藥液噴灑濃度和面積都可以通過噴頭設(shè)置。藥液噴灑的高度可以通過豎翼的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。小車的運(yùn)行路線可以由程序設(shè)置，由安裝在小車前側(cè)的尋線傳感器控制和實(shí)現(xiàn)，小車的行進(jìn)速度由程序設(shè)置。小車可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)彎功能，對一整間溫室大棚植株進(jìn)行噴藥施肥，期間無需任何人工干預(yù)和操作，極大地提高了智能化程度，降低了危險(xiǎn)性。為了節(jié)約能源，減少污染，小車動(dòng)力源采用太陽能蓄電池。

大棚內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與控制由傳感器實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用CC2530內(nèi)核作為控制中心，通過溫濕度傳感器、壓力傳感器、熱式紅外傳感器等模塊實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)的溫度、光照、二氧化碳濃度等的智能調(diào)試，考慮到作物反饋?zhàn)饔脵C(jī)制，方便對大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。當(dāng)環(huán)境溫度超過28℃或者二氧化碳濃度達(dá)到一定量時(shí)，大棚的窗戶會(huì)自動(dòng)打開進(jìn)行散熱和通風(fēng)。液晶屏上顯示有溫度、濕度、壓力、紅外、麥克、分時(shí)電價(jià)等，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。對于壓力傳感器，可以稱重噴藥施肥機(jī)中水的重量，或者農(nóng)作物收獲時(shí)的蔬菜等作物重量。另外智能大棚中增加了安全設(shè)施，包括無線攝像頭、紅外檢測和報(bào)警設(shè)施。以此來預(yù)防自然災(zāi)害、有非法動(dòng)機(jī)的人群或者動(dòng)植物的入侵行為。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

創(chuàng)新點(diǎn)一：分時(shí)電價(jià)

我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以與電網(wǎng)主站進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)獲取最近的分時(shí)電價(jià)信息。然后根據(jù)分時(shí)電價(jià)信息制定電源投入運(yùn)行時(shí)間段控制策略，從而保障居民用戶的電費(fèi)開支最低。白天當(dāng)光照強(qiáng)度高于一定值時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)遮陽簾，當(dāng)晚上的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度低于一定值時(shí)，在最近的一段分時(shí)電價(jià)區(qū)域中選擇電費(fèi)最低的階段運(yùn)行電子加熱器、電動(dòng)水泵、植物生長燈與換氣風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)智能能量管理系統(tǒng)節(jié)能降耗的功能。

創(chuàng)新點(diǎn)二：閉環(huán)反饋

閉環(huán)控制是控制論的一個(gè)基本概念，作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響。通過溫濕度傳感器、壓力傳感器、熱式紅外傳感器等模塊實(shí)現(xiàn)大棚的自動(dòng)化控制。當(dāng)環(huán)境溫度超過28℃或二氧化碳濃度達(dá)到一定量時(shí)，大棚的窗戶會(huì)自動(dòng)打開進(jìn)行散熱和通風(fēng)。當(dāng)外界無光照時(shí)，開啟植物生長燈，提供植物所需的光照時(shí)間。

4 市場前景

現(xiàn)代溫室是設(shè)施栽培技術(shù)的最新發(fā)展，采用控制環(huán)境的方法，使植物常年具有良好的生長環(huán)境。由于不同的植物有不同的環(huán)境需求，而同一植物在不同階段對環(huán)境的要求也不同，因此建立不同的溫室作物生長模型十分必需和追切。但作物模型的研究是一個(gè)難題，需要多個(gè)生產(chǎn)周期的研究和實(shí)驗(yàn)積累與較長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，國內(nèi)對這方面的研究剛剛起步。由于溫室內(nèi)的作物生長是溫度、光照和濕度等生長環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果，故不能將這些因子分開，單獨(dú)、靜態(tài)地考慮，而應(yīng)從整體上動(dòng)態(tài)研究環(huán)境控制問題，即研究如何以一種比較經(jīng)濟(jì)的環(huán)境控制方法較好地滿足植物工廠化生產(chǎn)的需要，這是提高現(xiàn)代溫室生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益需要研究解決的問題。

在信息化和網(wǎng)絡(luò)化的今天，現(xiàn)代化溫室系統(tǒng)應(yīng)該充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)資源和數(shù)據(jù)的共享，隨時(shí)掌握國內(nèi)和國際市場動(dòng)態(tài)，制定出最佳的種植計(jì)劃。溫室遞階分布式信息系統(tǒng)的下位機(jī)包含多變量控制、遠(yuǎn)程控制、完成每日數(shù)據(jù)記錄等功能。其監(jiān)控計(jì)算機(jī)中安裝有莊稼管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)分析（多變量分析、譜分析、圖像分析），系統(tǒng)分析（控制理論、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)工程），三維圖像系統(tǒng)（CAD、圖像處理、圖像數(shù)據(jù)捕獲），數(shù)據(jù)庫（氣候、莊稼、溫室、控制等），規(guī)則庫（莊稼、氣候、 疾病、市場等），網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)、國內(nèi)網(wǎng)、國際網(wǎng)），控制系統(tǒng)（物理特性、莊稼測量、肥水控制等），農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)（推理系統(tǒng)、用戶界面），作物長勢分析（葉、莖、果實(shí)、產(chǎn)量預(yù)測）等。endprint

溫室系統(tǒng)的控制過程及干擾模型是未知的，且難以辨識(shí)，具有許多不確定性，例如外部氣候突然變化，災(zāi)害天氣突然出現(xiàn)等。因此用傳統(tǒng)的控制方法難以建模，難以有效控制溫室過程控制中諸多高度非線性問題。傳統(tǒng)控制理論雖然也有一些非線性控制方法可用，但非線性理論遠(yuǎn)不如線性理論成熟，加之溫室控制過程的復(fù)雜性，使得這些非線性理論難以實(shí)用。溫室生產(chǎn)過程存在許多半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問題，難以建立定量分析的數(shù)學(xué)模型，因此傳統(tǒng)采用微分方程、狀態(tài)方程的數(shù)值計(jì)算方法只局限在簡化和近似的不精確范圍內(nèi)，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。

溫室生產(chǎn)過程的各子系統(tǒng)之間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜、相互制約，如作物模型和環(huán)境控制的制約關(guān)系、環(huán)境控制和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本的耦合關(guān)系等，更重要的是種植規(guī)劃制定和溫室系統(tǒng)運(yùn)行脫離不了人為因素，而人的行為又帶有主觀性質(zhì)，所以溫室控制過程存在許多不可確定性問題。總之，溫室生產(chǎn)過程具有客觀復(fù)雜性和認(rèn)識(shí)復(fù)雜性，是一個(gè)復(fù)雜過程系統(tǒng)，因此，對溫室的控制需運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)理論提供的新概念、新方法解決其不確定性、不精確性、部分事實(shí)、非線性、強(qiáng)耦合等問題。加強(qiáng)控制理論同生產(chǎn)實(shí)際的密切結(jié)合，引入智能化方法、智能技術(shù)以及知識(shí)工程方法，形成不同形式的既簡單又實(shí)用的控制結(jié)構(gòu)和算法，形成包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的人機(jī)智能系統(tǒng)，是溫室先進(jìn)控制的發(fā)展方向。

我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是在機(jī)械化、信息化發(fā)展極其薄弱的基礎(chǔ)上發(fā)展的。智慧農(nóng)業(yè)在外部環(huán)境下，被賦予了更多統(tǒng)籌協(xié)同思想和更高期望。智慧農(nóng)業(yè)需要充分利用信息技術(shù)，包括更透徹的感知技術(shù)、更廣泛的互聯(lián)互通技術(shù)和更深入的智能化技術(shù)，使得農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)更加有效、智慧，以期達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品競爭力強(qiáng)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、有效利用農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)。

以應(yīng)用（硬件和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以及服務(wù)）為基礎(chǔ)的智慧農(nóng)業(yè)市場有望從2016年的90.億美元達(dá)到2022年184.5億美元的規(guī)模，年均復(fù)合增長率達(dá)13.8%。對農(nóng)業(yè)新技術(shù)的進(jìn)一步采用和全球?qū)κ澄镄枨蟮纳仙窃撌袌鲈鲩L的主要驅(qū)動(dòng)力。連接技術(shù)運(yùn)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)監(jiān)測、漁業(yè)、智慧溫室等領(lǐng)域。諸如云計(jì)算、ZigBee無線通訊技術(shù)、無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)以及其它連接技術(shù)可以提升產(chǎn)量產(chǎn)能。云計(jì)算提供農(nóng)場土地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以協(xié)助規(guī)劃、購買、存活管理、種植、收割等。感應(yīng)器、灌溉控制、可變速率技術(shù)（VRT）以及其它技術(shù)可以幫助減少投入并提升土地的產(chǎn)出。

GPS/GNSS有望占據(jù)2015年智慧農(nóng)業(yè)中硬件和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)市場中的較大份額。GPS用于拖拉機(jī)導(dǎo)航、可變速率技術(shù)、土壤條件監(jiān)測、畜牧養(yǎng)殖跟蹤等。GPS技術(shù)提供多項(xiàng)優(yōu)勢，諸如將重疊操作和噴施隔離的范圍最小化，減少肥料使用，降低化學(xué)農(nóng)藥的開支，并最大程度降低對環(huán)境的影響。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用有望占據(jù)智慧農(nóng)業(yè)市場應(yīng)用領(lǐng)域最大市場份額。智慧農(nóng)業(yè)優(yōu)化農(nóng)田使用效率以及使用中的操作。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可幫助種植者將農(nóng)田進(jìn)行區(qū)塊劃分，根據(jù)不同區(qū)塊進(jìn)行不同操作，以最大化產(chǎn)量，最小化投入成本。產(chǎn)量監(jiān)測是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成元素，通過設(shè)置在收割機(jī)中的感應(yīng)器觀測濕度以記錄特定區(qū)塊的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)整合器在軟硬件設(shè)備整合中具有重要作用，所以在農(nóng)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域占據(jù)較大的市場規(guī)模。系統(tǒng)整合器也用于解決問題以及診斷農(nóng)業(yè)管理解決方案，而這也用于開發(fā)與軟硬件設(shè)備相關(guān)的新概念。2022年北美有望占據(jù)最大的市場份額，亞太地區(qū)在該預(yù)測期間有望取得最高的復(fù)合增長率。北美地區(qū)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)操作的先驅(qū)者之一，隨著技術(shù)不斷改進(jìn)，設(shè)備售價(jià)逐步降低，考慮到社交媒體的運(yùn)用以及在線媒體的傳播等因素，北美地區(qū)對連接技術(shù)的使用目前正在不斷增長中。

該領(lǐng)域的主要代表包括約翰迪爾（美國），Trimble（美國），Ag Junction（美國），Raven（美國）及AGCO（美國）。這些公司采用不同的戰(zhàn)略攻占市場，例如新產(chǎn)品開發(fā)、合作、業(yè)務(wù)擴(kuò)張等。endprint