初光勇，孟 輝

（銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300）

0 引 言

食品行業(yè)在現(xiàn)代輕工業(yè)中占有重要地位，也影響著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人們的日常生活[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，食品工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與科技行業(yè)的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)了食品行業(yè)及農(nóng)業(yè)的發(fā)展。由于光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、土壤水分等參數(shù)影響著植物的新陳代謝[3-4]，也影響著農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，而目前大多數(shù)大棚還是以傳統(tǒng)的人工干預(yù)方式操控，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷是否進(jìn)行灌溉、施肥、遮光等，因此設(shè)計(jì)一套多參數(shù)采集控制系統(tǒng)尤為必要。利用單片機(jī)、傳感器等采集大棚數(shù)據(jù)，自動管控，滿足大棚農(nóng)作物在不同生長階段的需要。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊、系統(tǒng)控制面板等組成。

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時采集大棚內(nèi)的光照、空氣溫濕度、土壤濕度等參數(shù)。

數(shù)據(jù)處理分析模塊將采集的信號經(jīng)算法處理后通過單片機(jī)對卷簾、水肥一體灌溉電機(jī)進(jìn)行控制。

系統(tǒng)控制面板利用LabVIEW平臺設(shè)計(jì)[4-6]，系統(tǒng)前面板包括常用控制和信號顯示界面，方便系統(tǒng)設(shè)置和光照、溫濕度數(shù)值的顯示，同時還能顯示植物生長情況，滿足系統(tǒng)要求。

系統(tǒng)框架如圖1所示，上位機(jī)平臺界面如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 控制系統(tǒng)算法

Penman-Monteith方程是1965年提出的基于能量平衡和水汽擴(kuò)散理論的作物騰發(fā)量計(jì)算公式[7]，能夠反映植物的蒸騰作用?？紤]到溫室大棚無風(fēng)速的影響，溫室Penman-Monteith修正公式[8]見式（1）：

式中：ET0為植物的蒸發(fā)蒸騰量；Δ為飽和水氣壓與溫度關(guān)系斜率；T為平均氣溫；Rn為農(nóng)作物受太陽凈輻射量；G為土壤通熱量；V(λ)為光譜可見度系數(shù)函數(shù)[9]。計(jì)算es、ea、Δ的值：

式中：U為溫室空氣的相對濕度；γ為干濕常數(shù)。灌溉量決定灌溉時間，利用實(shí)際測量大棚的溫濕度等參數(shù)得到單次灌溉的時間為：

式中：t為單次灌溉時間；kc為作物系數(shù)，按照快速生長期取kc=1；S1，S2為滴灌間距；Q為流量。

1.3 硬件介紹

組成系統(tǒng)的硬件主要有單片機(jī)控制器、執(zhí)行電機(jī)和傳感器。由于對系統(tǒng)要求不高，因此采用低成本的STC12C5A60S2單片機(jī)[10]作為核心控制器，其擁有56 KB程序存儲，1 280字節(jié)RAM，2路PWM輸出。土壤濕度傳感器中濕度比較器采用LM393芯片，具有靈敏度可調(diào)、模擬電壓輸出功能。光照傳感器芯片型號為BH1750FVI，這是一款用于I2C總線接口[11]的數(shù)字光傳感器芯片，檢測范圍為1～65 535 Lux，可實(shí)現(xiàn)對廣泛寬度下進(jìn)行1 Lux的高精度檢測[12-15]。空氣溫濕度傳感器型號為DHT11，供電電壓為3～5.5 V，溫度范圍為0～50 ℃，濕度范圍為20%RH ～90%RH。步進(jìn)驅(qū)動器型號為W250，輸入電壓為DC 60 V，最大驅(qū)動電流為5 A，最小步距角為1.8°，細(xì)分1/2、1/8可選，分400步和1 600步，精度高，利用開關(guān)電源供電，通過控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制。步進(jìn)電機(jī)[16]型號為57BYG250，通過聯(lián)軸器鏈接絲杠進(jìn)行動力傳輸，限位開關(guān)采用歐姆龍E3Z系列光電開關(guān)，性能穩(wěn)定，可靠性高，響應(yīng)速度快。單片機(jī)控制引腳連接見表1所列。

表1 單片機(jī)控制引腳連接

2 系統(tǒng)工作流程

控制流程如圖3所示。系統(tǒng)進(jìn)行空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等數(shù)據(jù)的采集，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，并將信息實(shí)時顯示在LCD1602模塊[17]上，同時將數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送至上位機(jī)LabVIEW平臺進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而控制滴灌裝置和卷簾裝置。

圖3 控制流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和精確性，通過搭建微型實(shí)驗(yàn)大棚環(huán)境進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過改變光照強(qiáng)度、土壤濕度、空氣濕度等參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)。采用81345PP滴灌水管進(jìn)行滴灌，滴灌速度可調(diào)。溫度測量數(shù)據(jù)對比見表2所列，濕度測量數(shù)據(jù)對比見表3所列。

表2 溫度測量數(shù)據(jù)對比

表3 濕度測量數(shù)據(jù)對比

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2和表3的數(shù)據(jù)可以看出，最大相對誤差為2.68%，系統(tǒng)相對誤差在±5%以內(nèi)，證實(shí)了該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。選擇草莓大棚[18]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在同一個溫室中選擇一塊4 m×4 m區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4所列。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，蒸騰量在當(dāng)天12:00—14:00之間達(dá)到峰值，這與中午的光照強(qiáng)度、濕度等升高有關(guān)，符合植物生長實(shí)際。

表4 采集的數(shù)據(jù)與滴灌時間

4 結(jié) 語

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)完全滿足大棚的生產(chǎn)要求，能夠?qū)χ参锷a(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行有效采集和分析，精確控制卷簾電機(jī)和灌溉直流電機(jī)，保證了大棚作物生長的需要，滿足了現(xiàn)代高效特色農(nóng)業(yè)的要求。