劉鑫彤 張 勇＊ 曹佩洪

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

1 概述

隨著綠色農(nóng)業(yè)、科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)傳統(tǒng)的溫室大棚也不斷地處于改進(jìn)之中。傳統(tǒng)的溫室大棚采用藥物滅蟲(chóng)，果蔬有部分藥物遺留，對(duì)人體不利。另外大棚的溫度濕度也對(duì)蔬菜的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要作用，也需要智能化調(diào)控。本文設(shè)計(jì)一種智能化大棚溫濕度檢測(cè)裝置及紫外線殺蟲(chóng)裝置，讓農(nóng)村大棚管理變得簡(jiǎn)單化和智能化，而且避免傳統(tǒng)農(nóng)藥殺蟲(chóng)的危害。

2 自動(dòng)溫濕度光照檢測(cè)設(shè)計(jì)與制作原理

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

大棚內(nèi)溫度濕度檢驗(yàn)測(cè)試裝置應(yīng)用AVR 單片機(jī)作主控制器，應(yīng)用模塊化處理。模塊化中有射頻模塊nRF24L01，數(shù)字顯示屏LCD 和單片機(jī)ATmega8 以及溫濕度傳感器（SHT10）和光強(qiáng)傳感器（BH1705）共同組成[1]。傳感器對(duì)所需數(shù)據(jù)檢測(cè)，并把檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到主控制器即AVR 單片機(jī)中進(jìn)行處理，并在顯示屏上顯示，是人工對(duì)數(shù)據(jù)分析調(diào)整。系統(tǒng)傳感器檢測(cè)模塊原理如圖1 所示[2]。集成模塊（SHT10）的1、4 管腳接芯片的外部電源為芯片內(nèi)部供電。2 管腳DAT 與AVR 單片機(jī)PD4 連接實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與主控制器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，傳感器3 管腳SCLK 是單片機(jī)PD3 通信的同步時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集[3]。光強(qiáng)度傳感器BHT1750 模塊的1、4 管腳接芯片的外部電源為芯片內(nèi)部供電。模塊SCL 和SDA 管腳把外部監(jiān)測(cè)得到光強(qiáng)的信號(hào)傳給AVR 單片機(jī)的PD6 和PD7 管腳，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的實(shí)時(shí)檢測(cè)[4]。AVR 單片機(jī)通過(guò)連接nRF24L0 的28 管腳為選擇模式開(kāi)關(guān)、PC4 管腳為時(shí)鐘配置、PC3 管腳數(shù)據(jù)從PC4 在輸出、7 管腳數(shù)據(jù)從PC3 管輸入、5 管腳時(shí)鐘（片選）信號(hào)、8 管腳遮蔽，實(shí)現(xiàn)溫室溫濕度、光強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的無(wú)線傳輸。

圖1 傳感器檢測(cè)模塊原理圖

2.2 溫濕度及光強(qiáng)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

兩個(gè)集成模塊（SHT10、BHT1750）實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的溫濕度檢測(cè)和光照強(qiáng)度的檢測(cè)并通過(guò)nRF24L01 模塊實(shí)時(shí)把檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給AVR 單片機(jī)模塊，這時(shí)我們把AVR 單片機(jī)模塊的溫濕度光照強(qiáng)度設(shè)定值相比較并控制風(fēng)機(jī)或噴霧電磁閥的開(kāi)關(guān)以及遮陽(yáng)控制裝置，進(jìn)而使空氣溫濕度及光照強(qiáng)度滿足控制要求?？刂频牧鞒蹋寒?dāng)溫濕度檢測(cè)和光照強(qiáng)度裝置打開(kāi)并完成程序初始化檢測(cè)后，通過(guò)溫濕度傳感器采集檢測(cè)環(huán)境溫度濕度的數(shù)值，并把檢測(cè)的數(shù)值通過(guò)集成模塊（nRF24L01）傳輸給主控制器的溫濕度及光強(qiáng)存儲(chǔ)器，并把它與主控器的給定值進(jìn)行數(shù)值比較處理，判定是否開(kāi)啟加濕裝置、加熱器裝置以及遮光裝置從而節(jié)溫室大鵬內(nèi)溫濕度和光照強(qiáng)度，同時(shí)判別現(xiàn)在所處溫度、溫濕度及光強(qiáng)如果超過(guò)設(shè)定數(shù)值的一項(xiàng)或超過(guò)多項(xiàng)，安裝的報(bào)警裝置報(bào)警。在極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)。主控制器（AVR）和集成模塊（nRF24L01）共同作用實(shí)現(xiàn)溫度、濕度及光強(qiáng)度等系統(tǒng)設(shè)定值相比較，使加熱、加濕、遮陽(yáng)等自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，能夠在一定程度上滿足大棚蔬菜在對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的外部要求[2]。

3 紫外光自動(dòng)殺蟲(chóng)裝置控制系統(tǒng)

3.1 紫外光殺蟲(chóng)燈原理

紫外光自動(dòng)殺蟲(chóng)燈是利用太陽(yáng)能電池板提供的電源作為用電來(lái)源，晚上放電給紫外殺蟲(chóng)燈具，供其工作。殺蟲(chóng)燈具是利用紫外光對(duì)昆蟲(chóng)具有殺傷作用而殺蟲(chóng)的，紫外燈也叫黑光燈，多種害蟲(chóng)對(duì)長(zhǎng)波紫外光敏感，在一定范圍的波長(zhǎng)內(nèi)對(duì)昆蟲(chóng)有誘導(dǎo)作用，即引誘害蟲(chóng)撲向燈的光源，達(dá)到滅殺害蟲(chóng)的目的?？梢哉T殺地下害蟲(chóng)、雜糧類害蟲(chóng)、蔬菜類害蟲(chóng)、果樹(shù)害蟲(chóng)、森林害蟲(chóng)、草原害蟲(chóng)等。

3.2 紫外光殺蟲(chóng)燈控制系統(tǒng)

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)無(wú)污染殺蟲(chóng)和溫室大棚的環(huán)境監(jiān)控需要實(shí)時(shí)性、不間斷行性、周期性的特點(diǎn)，提出了一種基于WSN 的紫外光殺蟲(chóng)燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee 與GPRS 相結(jié)合的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸方式，將ZigBee 局域網(wǎng)內(nèi)的殺蟲(chóng)燈狀態(tài)和采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過(guò)GPRS 無(wú)線模塊采取TCP/IP 方式傳輸?shù)胶笈_(tái)信息中心[5]。紫外光殺蟲(chóng)燈控制系統(tǒng)主要由主控制器核心模塊、蓄電池充放電控制模塊、負(fù)載輸出模塊、充放電保護(hù)電路、負(fù)載保護(hù)電路等組成。紫外光殺蟲(chóng)燈控制系統(tǒng)如圖2[6]，其逆變電路主要脈沖振蕩（NE555 模塊）電路、達(dá)林頓管電路、升壓電路等組成。脈沖振蕩電路發(fā)出的脈沖信號(hào)為方波。3 管腳輸出全脈沖信號(hào)至達(dá)號(hào)林頓管（VT1、VT2），使得VT1 與VT2 處于工作狀態(tài)。高頻變壓器與VT2 集電極相接，12V 電壓在高頻變壓器原副線圈及電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換中升到21kV。預(yù)設(shè)20000 赫茲輸出時(shí)間與總時(shí)間的比值為脈沖的50%。R4，C7 的取值圖中按圖中所示。實(shí)驗(yàn)可知，脈沖振蕩（NE555）輸出的脈沖信號(hào)在示波器上顯示為正脈沖，沒(méi)有負(fù)脈沖，使得輸出的高壓低于百分之五十。改進(jìn)方法在脈沖振蕩（NE555）3 管腳串聯(lián)10μF 電容解決了沒(méi)有負(fù)脈沖問(wèn)題，全脈沖信號(hào)給升壓變壓器，最終由橋式二極管整流和升壓電路將2kV 電壓升到20kV。高壓電網(wǎng)電弧殺蟲(chóng)快速無(wú)污染，實(shí)現(xiàn)綠色殺蟲(chóng)的目的。靈活調(diào)整殺蟲(chóng)燈的開(kāi)啟時(shí)間，同時(shí)也可以改變紫外光的變化，達(dá)到定向殺蟲(chóng)的目的，減少對(duì)有益昆蟲(chóng)的殺害，使其變得更靈活、更高效。

圖2 紫外光殺蟲(chóng)燈控制電路圖

4 溫室大棚檢測(cè)裝置主體設(shè)計(jì)

4.1 溫室大棚檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的溫室大棚設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，溫濕度檢測(cè)常常用溫濕度計(jì)或直接用溫度計(jì)加觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)濕度和光照強(qiáng)度。沒(méi)有遮光設(shè)計(jì)，中午前后使得溫室大棚溫度驟生，對(duì)蔬菜水果傷害較大。有些比較先進(jìn)自動(dòng)化溫室大棚傳感器安裝在不可動(dòng)的地方，檢測(cè)的數(shù)值不準(zhǔn)確，很難達(dá)到理想的調(diào)節(jié)環(huán)境舒適度，利于蔬菜水果的目的本文設(shè)計(jì)一個(gè)可的升降裝置把其安裝在大棚的最高處即棚頂龍骨上，把溫濕度傳感器根據(jù)需求調(diào)節(jié)高度，溫濕度傳感器要放在保護(hù)護(hù)裝置中，設(shè)計(jì)為百葉窗裝置，空氣流通順暢，同時(shí)在百葉窗防護(hù)裝置上設(shè)置太陽(yáng)能遮光傘既能遮光還能發(fā)電[7]。光強(qiáng)傳感器則放在遮陽(yáng)裝置外，能更準(zhǔn)確地檢測(cè)光照強(qiáng)度。

溫室大棚傳感器放在能自動(dòng)升降可調(diào)節(jié)的木箱中，木箱外安裝電機(jī)，滑輪升降滑道，滑輪、升降桿，升降鋼絲，木箱側(cè)面安裝有百葉窗，頂端裝有太陽(yáng)能遮光傘。（1）自動(dòng)升降系統(tǒng)：包括升降木箱及木箱外安的裝電機(jī)，滑輪升降滑道，滑輪、升降桿，升降鋼絲，木箱側(cè)面安裝有百葉窗，頂端裝有太陽(yáng)能遮光傘。升降木箱頂部通過(guò)掛鉤懸掛在棚頂鋼骨架上固定?。簧的鞠涞撞抗潭赊D(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承，軸承上安裝滑輪，滑輪安裝在滑道上，可上下滑動(dòng)，升價(jià)鋼絲和升降桿連接，升降桿在木箱側(cè)面，防止木箱升降時(shí)偏離豎直位置，升降鋼絲和滑輪使木箱上下升降。（2）檢測(cè)系統(tǒng)：包括木箱和溫濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器。木箱頂部有遮光傘，遮光傘頂部有吊環(huán)和升降鋼絲栓接；遮光傘上表面裝有太陽(yáng)能電池板，即能發(fā)電又能防止陽(yáng)光直射保護(hù)箱；保護(hù)箱側(cè)壁設(shè)有若干百葉窗葉片，方便保護(hù)箱內(nèi)空氣通暢；溫濕度傳感器固定在防保護(hù)箱中間，光強(qiáng)傳感器太陽(yáng)能電池板外部。通過(guò)木箱升降和檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)，把得到的數(shù)據(jù)傳給主控制器，隨時(shí)關(guān)閉打開(kāi)加熱、遮陽(yáng)、加濕裝置等調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，把最適宜蔬菜水果生長(zhǎng)的環(huán)境調(diào)節(jié)好。

4.2 溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室大棚控制系統(tǒng)包括：感知端、信號(hào)傳輸端、人工控制端、和網(wǎng)絡(luò)端。感知端的傳感器分布在大棚內(nèi)的不同位置，檢測(cè)溫室大棚內(nèi)的溫濕度和光照強(qiáng)度。采集的數(shù)據(jù)后傳給主控制器。人工控制端信號(hào)傳輸和可視端組成：在大棚內(nèi)通過(guò)多個(gè)傳感器和控制端可視端自行組織建網(wǎng)；傳輸方式為無(wú)線傳輸。自行建網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，通過(guò)主控制器進(jìn)行交互處理。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式與監(jiān)控中心連接。根據(jù)大棚內(nèi)溫度、濕度、光強(qiáng)、蟲(chóng)害情況等通過(guò)傳感器得到的參數(shù)，對(duì)各種設(shè)備裝置進(jìn)行控制，包括打開(kāi)加熱器、排風(fēng)扇、打開(kāi)加濕器、紫外光燈自動(dòng)殺蟲(chóng)裝置等。網(wǎng)絡(luò)端，通過(guò)人工設(shè)置程序建立長(zhǎng)期數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中可以隨意提取數(shù)據(jù)，建立線圖分析，利用大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)更好和更完善的處理分析結(jié)果。得到該地區(qū)蔬菜水果適宜高產(chǎn)的生長(zhǎng)環(huán)境情況[8]。

5 結(jié)論

5.1 本系統(tǒng)將可視化與監(jiān)控裝置有機(jī)結(jié)合,使得可視化監(jiān)控管理得以真正實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建了一種新型的溫室大棚生產(chǎn)體系，發(fā)展了科技農(nóng)業(yè)綠色農(nóng)業(yè)。利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)于溫室大棚的需求設(shè)計(jì)出智能檢測(cè)裝置，以最大程度地滿足不同地區(qū)對(duì)溫室大棚的需求。

5.2 利用傳感器對(duì)大棚內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、蟲(chóng)害情況進(jìn)行檢測(cè)，并把檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸給主控制器，人工控制端和網(wǎng)絡(luò)端對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析。再通過(guò)設(shè)定的程序傳輸給主控制器和大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分析端，計(jì)算機(jī)自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉加熱、加濕、遮陽(yáng)、殺蟲(chóng)等裝置，進(jìn)行大棚溫室環(huán)境調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。這也更好的體現(xiàn)我國(guó)發(fā)展科技農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)的趨勢(shì)。