陳旭根，陳 穎，房新月，吳雯婧，孫 言

(徐州工程學(xué)院數(shù)學(xué)與物理科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)使用溫室大棚種植特定作物，具有不受季節(jié)與地理位置限制的優(yōu)點.正午光照強(qiáng)度劇烈，為了保證環(huán)境溫濕度穩(wěn)定，需要對大棚覆蓋遮光物，避免強(qiáng)光線直接照射棚內(nèi)的植物，且需要定期為植物澆水.傳統(tǒng)操作是人工遮蓋大棚和灌溉植物，這樣會消耗大量的人力物力.隨著光伏發(fā)電的普及，太陽能發(fā)電板引入到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中.筆者擬利用單片機(jī)和溫度、濕度、光強(qiáng)傳感器等，設(shè)計一套智能光伏發(fā)電的溫室大棚灌溉系統(tǒng)，既省錢省力，又節(jié)約能源.

1 外部結(jié)構(gòu)設(shè)計

1—大棚架；2—太陽能電池板；3—連桿；4—電機(jī)；5—光強(qiáng)感傳感器；6—處理器；7—蓄電池；8—滑軌；9—滾輪；10—支座.圖1 溫室系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)Fig. 1 Schematic External Structure Diagram of Greenhouse System

在滿足植物生長光照的條件下，為了提高光伏發(fā)電量，設(shè)計了一套溫室系統(tǒng)，其外部結(jié)構(gòu)如圖1所示.

由圖1可以看出：大棚架上設(shè)有滑軌，滑軌上設(shè)有滾輪，滾輪分別安裝在大棚架頂面的太陽能電池板的底邊；太陽能電池板通過支座與連桿的一個自由端鉸接；蓄電池通過處理器與太陽能電池板連接，該處理器還與外部其他用電設(shè)備電連接；連桿的另一個自由端與固設(shè)在大棚架上電機(jī)的扭矩輸出端連接，且該電機(jī)與處理器連接；大棚架上設(shè)有光強(qiáng)感傳感器，光強(qiáng)感傳感器與處理器連接.

在大棚架的使用中，當(dāng)光照較弱時，單片機(jī)控制電機(jī)通過連桿將太陽能電池板拉起，保證植物接受充分的光照；當(dāng)光照較強(qiáng)時，單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)節(jié)滾輪在滑軌上滾動，太陽能電池板平鋪在大棚架上方陽光直射的位置，此時的太陽能電池板兼具遮擋強(qiáng)光和吸收光照的功能.在實際使用中，會出現(xiàn)因大棚架面積較大而導(dǎo)致太陽能電池板在大棚架上方旋轉(zhuǎn)不便的問題，這可以通過間隔安裝多組太陽能電池板來解決.而多組太陽能電池板之間存在間隙，即使在平鋪時仍有部分陽光照射進(jìn)來，大棚內(nèi)的植物依然能夠獲得足夠的光照，不會影響植物的正常生長.

2 電路設(shè)計

溫室系統(tǒng)控制電路主要由單片機(jī)核心電路、蓄電池充放電電路、升壓電路、220 V降壓穩(wěn)壓電路[1]和信號輸入反饋電路等5個部分組成.系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)電路如圖3所示.

圖2 系統(tǒng)框圖Fig. 2 System Chart

圖3 系統(tǒng)電路Fig. 3 System Circuit

(1)單片機(jī)核心電路.單片機(jī)控制芯片選用AT89C52單片機(jī)[2].在單片機(jī)上，擁有8位CPU和可編程FLASH存儲器，單片機(jī)控制并管理著整個系統(tǒng)，監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)環(huán)境信息輸出反饋信號.

(2)蓄電池充放電電路和升壓電路.根據(jù)溫室大棚的體積大小選用合適的光伏發(fā)電板組，經(jīng)穩(wěn)壓芯片處理后，通過TP4056充電模塊[3]限流并輸入蓄電池，再經(jīng)升壓后輸出，為設(shè)備供電.

(3)220V降壓穩(wěn)壓電路.為了保證系統(tǒng)的持續(xù)正常工作，防止連續(xù)陰雨天氣下斷電情況的發(fā)生，同時輸入220 V市電，當(dāng)蓄電池電量低于20%時，采用市電輸入.因市電電壓為220 V，故需經(jīng)降壓穩(wěn)壓后才可以輸入系統(tǒng)使用.降壓穩(wěn)壓電路由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等4個部分組成.

(4)信號輸入反饋電路.采集環(huán)境光強(qiáng)、溫室大棚內(nèi)的溫度和土壤濕度等數(shù)據(jù)輸入給單片機(jī)，并根據(jù)這些環(huán)境信息對LED燈、水泵和舵機(jī)等設(shè)備發(fā)出指令信號.針對臺風(fēng)、暴雪等特殊天氣情況，設(shè)置“模式切換”按鈕，及時調(diào)整太陽能電池板的位置結(jié)構(gòu)，關(guān)閉“光感通道”，避免不必要的損失.

3 實現(xiàn)功能

系統(tǒng)通過PCF8591光照強(qiáng)度傳感器[4]實現(xiàn)溫室外環(huán)境的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，再根據(jù)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)溫室太陽能電池板的位置.光照過強(qiáng)時，棚內(nèi)植物光合作用下降，太陽能電池板平鋪為植物遮擋強(qiáng)光.太陽能電池板白天發(fā)電儲存到蓄電池，夜間利用蓄電池儲存電能對植物繼續(xù)進(jìn)行照明，提高植物的光合作用效率，進(jìn)而提高植物生長.陰雨天氣時，集水槽收集溫室外雨水，將水儲存在水箱中.系統(tǒng)通過DS18B20溫度傳感器和YL-69土壤濕度傳感器等傳感模塊監(jiān)測植物生長的溫度、土壤濕度等數(shù)據(jù)，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定閾值時，系統(tǒng)將驅(qū)動水泵從水箱中抽水，及時進(jìn)行滴灌處理.溫室系統(tǒng)實物模型如圖4所示.系統(tǒng)設(shè)置了一個控制終端，能夠在LCD屏上顯示溫濕度、光強(qiáng)等數(shù)據(jù).當(dāng)遇到臺風(fēng)、暴雪等特殊天氣時，控制終端通過按鍵關(guān)閉“光感通道”，開啟手動模式，控制太陽能電池板組的旋轉(zhuǎn)和平鋪，以及溫室內(nèi)的照明燈組.

圖4 實物模型Fig. 4 Entity Model

為了更好地利用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，筆者用LABVIEW[5]編寫了一個上位機(jī)監(jiān)測終端，用來顯示溫室系統(tǒng)的溫濕度、光照強(qiáng)度、工作狀態(tài)等信息(圖5).監(jiān)測終端設(shè)有緊急控制按鈕，可發(fā)送停止命令給控制端，關(guān)閉整個系統(tǒng)，從而減少極端天氣情況下的損失，更好地保護(hù)整個溫室系統(tǒng).

圖5 監(jiān)測終端窗口Fig. 5 Monitoring Terminal Window

4 結(jié)語

本設(shè)計中設(shè)置了可調(diào)節(jié)角度太陽能電池板，根據(jù)監(jiān)測環(huán)境的光照強(qiáng)度可實時調(diào)整太陽能電池板的位置，滿足植物生長的光照需求且提高太陽能電池發(fā)電的效率；通過監(jiān)測終端實時監(jiān)測環(huán)境的溫濕度，實現(xiàn)自動滴灌噴灑處理，保證植物生長的水分需求且有效節(jié)約水資源.太陽能電池板的使用過程中，高效合理地利用光能來提高植物的經(jīng)濟(jì)效益，可以有效減少聚乙烯防曬網(wǎng)的使用，減少碳排放.如果想更全面地了解植物的生長狀態(tài)，可改進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測端，如對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，以及記錄與分析植物生長環(huán)境的數(shù)據(jù).此外，如果發(fā)電量供過于求，還可將多余電量并入電網(wǎng).