陳星　李微

摘 要：人們在享受城市生活的同時(shí)，還向往著農(nóng)村的田園生活。為了滿足很多人的愿望，研制一種智能控制的室內(nèi)種植養(yǎng)殖共生柜具有現(xiàn)實(shí)意義，它采用單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在種植養(yǎng)殖所需的溫濕度、光照、通風(fēng)、充氧、水位控制及循環(huán)等方面具備自動(dòng)控制功能，使其柜體內(nèi)各個(gè)硬件設(shè)備達(dá)到降溫、噴霧、照明、通風(fēng)、加熱、水循環(huán)等預(yù)設(shè)效果，特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足了柜體內(nèi)種植與養(yǎng)殖的共同需求。

關(guān)鍵詞：智能控制；單片機(jī)；種植；養(yǎng)殖

中圖分類號：S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0019-03

The Design of Indoor Intelligent Aquaculture Growing Water Tank

Guide Students' Innovation by TRIZ Theory

CHEN Xing LI Wei

（Nanjing College of Information Technology，Nanjing Jiangsu 210036）

Abstract： People enjoy the rural life while enjoying the city life. In order to meet the desire of many people， it is practicdl significant to develop a kind of intelligent control indoor farming hydroponic box. It adopts fully automatic control system for the cultivation of plant cooling， spray， lighting， ventilation， heating， water cycle， and so on， making its action within the cabinet put oneself in another's position on temperature and humidity， illumination， air condition， water level and water filling oxygen control.

Keywords： intelligent control；single chip microcomputer；planting；breed aquatics

如今，中國城市化迅猛發(fā)展，市民數(shù)量成倍增長，廣大市民在享受城市生活的便利、清潔、高效的同時(shí)還向往著農(nóng)村的田園生活，家里陽臺上的花盆、室內(nèi)小小的魚缸，也正在承載著市民閑暇之余的田園夢。但有限的室內(nèi)空間，緊張的城市時(shí)間，又限定了市民的田園夢想?；谶@樣的需求，研制一款適應(yīng)城市家庭使用的自主種植養(yǎng)殖一體的電器設(shè)備也變得很有現(xiàn)實(shí)意義。而植物的生長、水生物的養(yǎng)殖，都需要一定的溫濕度、光照、空氣（二氧化碳、氧氣），因此研制的室內(nèi)自主設(shè)備應(yīng)具有良好有效控制這些參數(shù)的功能[1]。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求

本設(shè)備是集養(yǎng)殖與種植于一體的設(shè)備，在同一個(gè)柜體內(nèi)實(shí)現(xiàn)水中養(yǎng)殖和水面種植兩種共生方式，而且對箱體內(nèi)的溫度、空氣、光照自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，使其在預(yù)設(shè)的控制范圍內(nèi)運(yùn)行，且對于相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)面板的顯示和設(shè)定，以及本地紅外遙控和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與參數(shù)設(shè)置，整體實(shí)現(xiàn)智能化管理。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)組成

本設(shè)備包括支撐單元、控制單元、溫濕度單元、光照單元、水循環(huán)單元和通風(fēng)單元。該共生柜可以在外圍框架支撐下實(shí)現(xiàn)多層自選組合搭配，利用溫度傳感器、光強(qiáng)傳感器、液位器、空氣傳感器檢測數(shù)據(jù)傳輸至控制單元，由控制單元按照預(yù)定算法給出相應(yīng)指令，并傳遞給對應(yīng)的降溫風(fēng)扇、噴霧系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、加熱裝置及水循環(huán)系統(tǒng)，使其動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對柜體內(nèi)的溫濕度、光照、空氣狀況、水位及水中充氧的控制，合理滿足柜體內(nèi)種植與養(yǎng)殖共同生長的需要[2]。

該設(shè)計(jì)產(chǎn)品由柜體結(jié)構(gòu)、智能控制兩部分組成，如圖1所示。

2.1 柜體部分

柜體部分采用標(biāo)準(zhǔn)角鋼型材，由螺紋連接形式搭建支撐框架。柜體可以靈活分成多層（可以根據(jù)需求調(diào)整層數(shù)、層高），并使用粘扣將軟材料（塑料膜、布料等）粘在支撐框架上，與頂?shù)變擅姘骞餐M建封閉柜體；在頂部面板靠側(cè)邊位置安裝通風(fēng)扇，在底部兩個(gè)側(cè)面留通風(fēng)口，與柜體內(nèi)自下而上的風(fēng)道結(jié)構(gòu)（煙囪效應(yīng)）構(gòu)成通風(fēng)系統(tǒng)，形成自然通風(fēng)和強(qiáng)迫通風(fēng)兩種模式；柜體底部裝有4個(gè)萬向輪以供移動(dòng)；柜頂靠前后邊分別安裝控制盒和電源盒。

2.2 智能控制

智能控制由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制下各種傳感器與相關(guān)設(shè)備的協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 控制系統(tǒng)硬件組成。①溫度控制部分，由空溫傳感器、水溫傳感器、調(diào)溫風(fēng)扇、噴霧系統(tǒng)、加熱棒、靜音水泵和電磁水閥構(gòu)成。②光照控制部分，由光敏傳感器、定時(shí)器、LED光源構(gòu)成。③通風(fēng)控制部分，由定時(shí)器、通風(fēng)扇構(gòu)成。④水循環(huán)部分，由液位傳感器、靜音水泵構(gòu)成。⑤控制部分，由單片機(jī)、液晶顯示模塊、8路5V繼電器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊及大功率MOS觸發(fā)開關(guān)模塊構(gòu)成。

2.2.2 控制系統(tǒng)軟件部分

2.2.2.1 控制原理。該控制系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對溫度、光照、通風(fēng)的控制，其過程為：通過各種對應(yīng)傳感器采集相關(guān)信號參數(shù)傳遞至單片機(jī)，由單片機(jī)依據(jù)控制算法與鍵盤輸入的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行對比和邏輯運(yùn)算，并給出準(zhǔn)確指令，讓繼電器進(jìn)行相應(yīng)開關(guān)，從而控制各個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)動(dòng)作，控制原理如圖2所示。

2.2.2.2 控制系統(tǒng)流程。影響種植和養(yǎng)殖的因素主要是溫度、濕度、光照、通風(fēng)（CO2濃度）等，該控制系統(tǒng)將有效對這些參數(shù)進(jìn)行預(yù)定控制，具體要求如下。①溫度。需要在柜體內(nèi)外，水溫、空溫多變的狀態(tài)下，對通風(fēng)裝置、加熱棒、循環(huán)水泵進(jìn)行相應(yīng)控制，從而將溫度控制在15～35 ℃。②濕度。要根據(jù)種植的需要對循環(huán)水泵、通風(fēng)裝置進(jìn)行定時(shí)，合理控制，以將柜體內(nèi)濕度保持在一定數(shù)值范圍內(nèi)（30%～80%）。由于該設(shè)計(jì)為近封閉水箱，循環(huán)供給模式濕度基本在30%～80%，而且濕度的多少直接影響溫度的變化，因此該系統(tǒng)中并沒有特定設(shè)置對濕度進(jìn)行控制。③光照。根據(jù)養(yǎng)植對光照強(qiáng)度和時(shí)間的需要，依據(jù)光照傳感器參數(shù)對植物生長燈進(jìn)行控制。④通風(fēng)（CO2濃度）。定時(shí)對通風(fēng)裝置進(jìn)行控制，從而保持柜體內(nèi)空氣更新。具體工作流程如圖3所示。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

3.1 通風(fēng)功能驗(yàn)證

基于設(shè)計(jì)要求，通風(fēng)模式分為自然通風(fēng)和強(qiáng)迫通風(fēng)兩種：自然通風(fēng)由柜體結(jié)構(gòu)自下而上的通風(fēng)管道構(gòu)成，其煙囪效應(yīng)使得通風(fēng)效果良好；強(qiáng)迫通風(fēng)由頂端面板上的4個(gè)直流風(fēng)扇完成。驗(yàn)證方式為計(jì)時(shí)煙霧流動(dòng)觀察，即在柜體底部施放顏色煙霧，觀察煙霧走向和到達(dá)頂部時(shí)間。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，兩種通風(fēng)模式均按照風(fēng)道順序自下而上運(yùn)行。從時(shí)間看，強(qiáng)迫通風(fēng)明顯比自然通風(fēng)效果好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 溫度功能驗(yàn)證

基于設(shè)計(jì)要求，溫度保障由加熱棒、風(fēng)扇、水循環(huán)裝置來實(shí)現(xiàn)。在不同的溫度狀態(tài)下，這些設(shè)備均體現(xiàn)各自應(yīng)用功能。驗(yàn)證方式有兩種。一是改變測溫傳感器溫度，觀察各個(gè)執(zhí)行單元的執(zhí)行情況。經(jīng)驗(yàn)證，執(zhí)行單元均按照設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確執(zhí)行。二是在設(shè)備內(nèi)安放智能溫濕度檢測儀，在一段時(shí)間內(nèi)記錄其溫度變化情況，從而判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，具體情況見表2。

由表2可知，設(shè)備運(yùn)行良好穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.3 光照功能驗(yàn)證

基于設(shè)計(jì)要求，光照由自然光照和增補(bǔ)光源（LED燈）來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)自然光強(qiáng)小于參數(shù)值時(shí)，增補(bǔ)光源開始工作。驗(yàn)證方式為：對測光傳感器進(jìn)行光照干涉。實(shí)驗(yàn)使用手電光照和密封暗盒來對光敏傳感器進(jìn)行光強(qiáng)的改變，以觀察增補(bǔ)光源的開啟狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)證，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，按時(shí)開關(guān)增補(bǔ)光源。

4 結(jié)語

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)是由單片機(jī)系統(tǒng)依據(jù)傳感器參數(shù)與預(yù)設(shè)參數(shù)對比及邏輯運(yùn)算，控制相關(guān)硬件設(shè)備來實(shí)現(xiàn)柜體內(nèi)環(huán)境因子參數(shù)的控制，從而滿足自動(dòng)控制種植養(yǎng)殖一體化需求的智能設(shè)備。由于各種植物和生物生長對應(yīng)參數(shù)的要求不同，本產(chǎn)品只能將參數(shù)設(shè)置在一定范圍內(nèi)。影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的因素很多，設(shè)計(jì)中還存在一些需要改進(jìn)的地方，須通過后續(xù)的使用驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更加科學(xué)、合理、完美。

參考文獻(xiàn)：

[1]王有緒.PIC系列單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[2]李廣弟，朱月秀，王秀山.MCS-51單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.