吳 帆

(鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

環(huán)境問題和能源危機(jī)引發(fā)全球性思考，在此前提下發(fā)展可再生、無污染能源已成為人類的共識(shí)。太陽能光伏發(fā)電越來越受到重視并獲得飛速發(fā)展，也給農(nóng)業(yè)大棚控制的發(fā)展提供了一個(gè)新的平臺(tái)[1]。農(nóng)業(yè)溫室大棚不受季節(jié)、氣候、環(huán)境等諸多因素的限制，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大意義。雖然農(nóng)業(yè)溫室大棚在我國得到了廣泛應(yīng)用，但大多數(shù)未采用智能控制技術(shù)，自動(dòng)化程度低，環(huán)境控制能力有限，在一定程度上影響了農(nóng)業(yè)溫室大棚農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此，農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的建立很有必要[2]。影響作物生長的因素主要有溫度、濕度、CO2濃度以及光照等，如果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些因素的智能控制，不僅可以減輕種植者的負(fù)擔(dān)，還能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。而整個(gè)系統(tǒng)的用電可以由光伏板電池提供，即使將大棚建在無法利用電網(wǎng)電能的偏遠(yuǎn)地區(qū)，也不會(huì)受到限制。

本研究設(shè)計(jì)了一種雙軸智能光電互補(bǔ)農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)，結(jié)合光伏技術(shù)與溫室環(huán)境控制，根據(jù)1 d內(nèi)或季節(jié)性農(nóng)作物對(duì)光照的需求，光伏控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)太陽光的入射角度，通過調(diào)節(jié)光伏板的傾角，一方面達(dá)到提高屋頂光伏電池組件發(fā)電量，另一方面為溫室環(huán)境控制系統(tǒng)提供電能。農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)通過各種傳感器采集環(huán)境參數(shù)，根據(jù)環(huán)境信息自動(dòng)調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示，并根據(jù)環(huán)境需求提供各種方式報(bào)警及改善措施，使農(nóng)作物總是在合適的環(huán)境中生長，達(dá)到農(nóng)作物高質(zhì)量生產(chǎn)的目的，增加經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)現(xiàn)雙軸智能光電互補(bǔ)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無電、缺電等供電問題。

1 雙軸智能光伏技術(shù)與農(nóng)業(yè)溫室大棚的結(jié)合

雙軸智能光伏系統(tǒng)設(shè)置在溫室屋頂上方，由電池板支架、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、底座、步進(jìn)電機(jī)和光伏板構(gòu)成，用螺絲把一個(gè)控制方位的步進(jìn)電機(jī)固定在底座上，然后在步進(jìn)電機(jī)上安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸，上面連接水平方向步進(jìn)電機(jī)的支架。步進(jìn)電機(jī)也被螺絲控制在垂直方向的支架上，也安裝了轉(zhuǎn)動(dòng)軸，并且連接著光伏板和光敏電阻等部件。雙軸智能光伏機(jī)械裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可使光伏板在水平方向360°和垂直方向90°之間自由旋轉(zhuǎn)[3]。

將雙軸光伏系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定電壓引入溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，所述溫室設(shè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)，溫室內(nèi)設(shè)有濕簾風(fēng)機(jī)設(shè)備、噴霧設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備和補(bǔ)光設(shè)備。溫室環(huán)境控制系統(tǒng)包括溫室環(huán)境控制器、溫濕度檢測(cè)模塊、CO2傳感器檢測(cè)模塊、光照傳感器檢測(cè)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊。

1.1 光伏控制系統(tǒng)

光伏控制系統(tǒng)通過上下左右4個(gè)光敏電阻實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)太陽光的入射角度，以單片機(jī)STC89C52為核心控制步進(jìn)電機(jī)在水平和垂直方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整光伏板的角度或人工手動(dòng)確定傾斜角度，其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。設(shè)置手工和自動(dòng)2種光伏控制模式，根據(jù)當(dāng)天的天氣情況，例如晴天或風(fēng)級(jí)在8級(jí)以下可開啟自動(dòng)模式，雨天或8級(jí)大風(fēng)以上則手動(dòng)固定傾斜角度。

1.2 大棚控制系統(tǒng)

大棚控制系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境信息自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)部環(huán)境的動(dòng)態(tài)控制。本系統(tǒng)以STC89C52為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示、處理和報(bào)警、繼電器工作等功能，其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器、GY-30光照傳感器、MH-Z14A二氧化碳濃度傳感器將實(shí)時(shí)環(huán)境檢測(cè)到的溫濕度值、光照度值和CO2濃度值傳遞給單片機(jī)，然后通過單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。與之前設(shè)定的溫濕度值、光照度值及CO2濃度值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超出一定值時(shí)，小燈閃爍，然后對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境控制系統(tǒng)

2.1 主系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的大棚智能系統(tǒng)主系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為控制核心，其最小系統(tǒng)的復(fù)位電路由電容、電阻和按鈕組成。當(dāng)單片機(jī)接通電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)完成啟動(dòng)，單片機(jī)進(jìn)入初始狀態(tài)。當(dāng)電路出現(xiàn)干擾時(shí)，按下復(fù)位按鈕，程序會(huì)從頭開始執(zhí)行(圖3)。

2.2 溫濕度電路設(shè)計(jì)

根據(jù)棚內(nèi)作物設(shè)置最佳溫度范圍，并通過溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，采用濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，否則會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長產(chǎn)生不利影響，濕簾風(fēng)機(jī)可有效控制溫室內(nèi)高溫的產(chǎn)生。如同溫度調(diào)節(jié)，當(dāng)室內(nèi)濕度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)噴霧器來提高濕度；如果濕度過大，可以利用濕度差來進(jìn)行室內(nèi)外的空氣交換，以降低濕度[4]。

2.3 CO2傳感器電路設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)溫室大棚是相對(duì)封閉的環(huán)境，因此可以對(duì)CO2濃度進(jìn)行控制。CO2是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用的重要原料，適宜的CO2濃度可以使農(nóng)作物活力增強(qiáng)、產(chǎn)量增加。CO2數(shù)值由 MH-Z14A傳感器采集，當(dāng)CO2濃度較低時(shí)，則驅(qū)動(dòng)繼電器開啟CO2發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)充。

2.4 光照傳感器電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚需要安裝遮陽裝置進(jìn)行遮陽，但這種雙軸智能光伏溫室大棚的光伏板本身就具有遮陽功能，且利用分光技術(shù)將不利于農(nóng)作物的光譜光照吸收，農(nóng)作物所需的光照可以控制模式正常穿透，因此，可以兼作遮陽裝置使用。當(dāng)溫室內(nèi)部光照弱于正常值時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)GY-30光照傳感器檢測(cè)到的光照度，控制開啟相應(yīng)數(shù)量的LED補(bǔ)光燈，以滿足農(nóng)作物生長的光照要求[5]。

2.5 顯示電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)顯示大棚的狀態(tài)，采用LCD1602液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示溫濕度、光照度及CO2濃度值。在實(shí)際LCD1602顯示模塊上，用“H：××.×%”表示濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值，“T：××.×℃”表示溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值，“CO2：×××××ppm”表示CO2濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值，“G：×××lux”表示光照的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值[6]。

2.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊主要是用于對(duì)溫濕度、光照度和CO2濃度報(bào)警值的上限和下限的設(shè)定，設(shè)有4個(gè)指示燈，分別為濕度超限報(bào)警LED指示燈(D1)、溫度超限報(bào)警LED指示燈(D2)、CO2濃度超限報(bào)警LED指示燈(D3)、溫濕度以及CO2濃度超上限報(bào)警LED指示燈(D4)。報(bào)警只是對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)出現(xiàn)問題時(shí)的警示，而智能系統(tǒng)的關(guān)鍵是當(dāng)實(shí)時(shí)環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)控制解決問題的對(duì)應(yīng)繼電器進(jìn)行工作。模擬繼電器智能控制電路，當(dāng)電路正常運(yùn)作時(shí)，開關(guān)與上開關(guān)保持貼合，當(dāng)電路運(yùn)作不正常時(shí)，開關(guān)與下開關(guān)保持貼合，繼電器開始工作，這體現(xiàn)了大棚智能控制系統(tǒng)的智能化。

3 雙軸智能光伏系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)搭建及工作原理

3.1 光伏系統(tǒng)實(shí)物機(jī)械組成

光伏系統(tǒng)平臺(tái)主要由電池板支架、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、底座和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成(圖4)。用2個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別對(duì)高度角和方位角2個(gè)方向進(jìn)行控制。跟蹤器的方位軸垂直地平面，控制水平方向；另一根軸與方位軸垂直稱為俯仰軸，控制垂直方向，最后2個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別與光伏控制系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803)連接，而此芯片又與AD轉(zhuǎn)換芯片連接，從而控制步進(jìn)電機(jī)。工作時(shí)，太陽跟蹤器根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)的位置，通過方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角來改變水平方向，通過俯仰軸做俯仰運(yùn)動(dòng)改變接收平臺(tái)的傾斜角來改變垂直方向，從而使太陽光線與太陽板垂直，以達(dá)到跟蹤的目的。

3.2 光電互補(bǔ)電路工作原理

光電互補(bǔ)電路工作原理是由光電互補(bǔ)裝置接收太陽光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)所采集到的信號(hào)，由單片機(jī)分析最終控制的步進(jìn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)向來達(dá)到光伏板，使其始終是垂直于入射光線，從而達(dá)到利用光伏板的最高效率[7]。根據(jù)圖5所示，當(dāng)光線遠(yuǎn)離光伏板時(shí)，光照度檢測(cè)電路左邊光敏電阻則會(huì)給單片機(jī)信號(hào)，使其控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)水平步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，使光伏板跟隨光線左轉(zhuǎn)。光照檢測(cè)右邊光敏電阻，當(dāng)光線遠(yuǎn)離光伏板時(shí)則實(shí)時(shí)傳輸給單片機(jī)信號(hào)，使其控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)水平步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使電池板跟隨光線右轉(zhuǎn)。使用上下光敏電阻光照檢測(cè)太陽光垂直角度的變化，并將檢測(cè)到的光線變化信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理后控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)垂直電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光伏板垂直角度的調(diào)整[8]。

4 雙軸智能光電互補(bǔ)農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)軟件

農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

4.2 雙軸智能光伏控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

雙軸智能光伏控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

5 雙軸智能光電互補(bǔ)農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)的前景展望

雙軸智能光電互補(bǔ)農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)結(jié)合光伏技術(shù)和智能控制技術(shù)，一方面利用機(jī)械裝置不斷改變光伏陣列的角度，使不論太陽光如何變化，光伏陣列都能夠保持正向面對(duì)太陽，從而提高對(duì)太陽能的利用率，以及即便將大棚建在無法利用電網(wǎng)電能的偏遠(yuǎn)地區(qū)，也不會(huì)受到限制；另一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)棚內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度以及光照度的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，真正實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化，有助于推動(dòng)這種大棚從概念性展示向?qū)嵱秒A段的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量又兼顧發(fā)電的雙贏效果。