姜文卿 華有斌 錢曉山＊ 張艷平＊ 管禮軍 陳海東

（1、九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江西 九江 332005 2、宜春學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000）

近年來，農(nóng)業(yè)大棚早已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，在全國(guó)，無論是發(fā)達(dá)地區(qū)還是偏遠(yuǎn)地區(qū)，大棚的數(shù)量都在明顯增多，大棚的作用實(shí)際上是減少自然環(huán)境的影響，人為的控制這些因素，從而讓植物比原來生長(zhǎng)的更好，在植物生長(zhǎng)的周期中選擇合適的控制對(duì)于植物來說極為重要。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在的大部分農(nóng)業(yè)大棚還是用傳統(tǒng)的方法，將溫度計(jì)和濕度計(jì)等一些能夠測(cè)量數(shù)值的工具掛在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，記錄工具上的所有數(shù)據(jù)并進(jìn)分析這些數(shù)據(jù)是否合格，最后用人為的方式去達(dá)到想要的結(jié)果；也可以使用電纜將外界傳感器收集到的數(shù)據(jù)錄入監(jiān)控系統(tǒng)，這樣會(huì)造成大棚內(nèi)各種線纜縱橫交錯(cuò)，維護(hù)成本高，安全可靠性差，當(dāng)收集了數(shù)據(jù)之后，收集者還要對(duì)周圍的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，然后再到農(nóng)業(yè)大棚中通過人工進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，雖然這樣可以提高大棚作物的產(chǎn)量，但是勞動(dòng)生產(chǎn)效率會(huì)大大下降，從而影響到大棚作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。這種傳統(tǒng)的控制方式對(duì)作物生長(zhǎng)狀況的改變難以及時(shí)做出反應(yīng)，難以介入作物生長(zhǎng)的內(nèi)在規(guī)律，浪費(fèi)人力資源且容易造成誤操作。因此，為了提高農(nóng)業(yè)大棚中植物的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且要降低經(jīng)營(yíng)成本和人工操作的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)出農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)，是提高農(nóng)業(yè)大棚勞動(dòng)生產(chǎn)效率的必然方法，也是所有工作人員的共同愿望。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的智能管理部分,主要使用現(xiàn)場(chǎng)安裝的各種傳感器（溫濕度傳感器、CO2傳感器）對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控, 主控制臺(tái)STM32 將得到的數(shù)據(jù)給系統(tǒng)管理中心,并同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,再結(jié)合時(shí)間、季節(jié)、以及農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況綜合得到一個(gè)系數(shù),主控制器根據(jù)這個(gè)系數(shù)向各個(gè)控制器發(fā)送命令,實(shí)時(shí)報(bào)警。當(dāng)傳感器檢測(cè)出來的數(shù)據(jù)高于或低于規(guī)定數(shù)據(jù)區(qū)間時(shí),將會(huì)激活大棚內(nèi)控制器的報(bào)警系統(tǒng),隨后會(huì)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行元件工作，調(diào)整環(huán)境參數(shù)以達(dá)到最適?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要由3 個(gè)部分所構(gòu)成, 分別為前端傳感器產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息收集、中端嵌入式單片機(jī)控制系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)測(cè)、末端上位機(jī)的管理。前端數(shù)據(jù)分析信息收集,是傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)溫度、濕度與二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)采集。傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的最底層，負(fù)責(zé)完成大棚內(nèi)環(huán)境信息的采集并對(duì)采集到的信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)中端是用STM32 單片機(jī)來收集采集的各種數(shù)據(jù)信息, 然后再上傳到云端,而上位機(jī)的監(jiān)測(cè)則可以用手機(jī)、平板或者計(jì)算機(jī),最后再靠來管理所收集的各種數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集的正確與否,關(guān)鍵在于傳感器的優(yōu)劣,而當(dāng)前市面上的一種數(shù)字式傳感器,由于具有集成度高、準(zhǔn)確度高,以及精確度高等的優(yōu)勢(shì),常被作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、氣象等重要領(lǐng)域。數(shù)字式感應(yīng)器的在檢測(cè)準(zhǔn)確度、線性程度以及統(tǒng)一性等領(lǐng)域方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)力,并且由于數(shù)字式感應(yīng)器易于反復(fù)應(yīng)用與更換,因此無須反復(fù)校正。本系統(tǒng)所用的感應(yīng)器,就是這款數(shù)位式感應(yīng)器。控制器采用的STM32 單片機(jī)的實(shí)時(shí)信息處理能力和管理功能,能將監(jiān)控系統(tǒng)保持在一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，進(jìn)而將大大的提高農(nóng)業(yè)大棚的產(chǎn)量和質(zhì)量。單片機(jī)應(yīng)用在這種控制系統(tǒng)中將成為一種終端機(jī), 安裝到整個(gè)控制系統(tǒng)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)上, 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集與管理,同時(shí)也具有極大的抗干擾能力和安全性,能在非常嚴(yán)酷的環(huán)境條件下高強(qiáng)度工作。上位機(jī)選擇平板電腦,它便于攜帶,方便實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

該農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的把MCU 作為核心芯片，采用STM32 單片機(jī)作為主要控制器，比以往的51 單片性能更好，這個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備到軟件設(shè)備功能都比較完善，人們使用起來也極其方便。與此同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)的RAM 區(qū)間還特意設(shè)置了一個(gè)具有雙重功能的地址區(qū)間，使用起來也很靈敏，這一特點(diǎn)也為使用者創(chuàng)造了極大的便利。以往的單片機(jī)并沒有乘法的功能，如果程序中需要乘法還需要對(duì)其進(jìn)行子程序的調(diào)用，對(duì)使用者來說不僅增加了困難，而且也讓其不方便，現(xiàn)如今的系統(tǒng)還能節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

本文選用的DHT11 溫濕度傳感器與單片機(jī)接口連接非常簡(jiǎn)單，并且功率消耗低，信號(hào)傳輸也較遠(yuǎn)，大約20m 以上。這款擁有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、控制簡(jiǎn)單等特征的溫濕度傳感器幾乎在所有領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用。下表使某測(cè)量中該溫濕度傳感器的測(cè)量誤差，可見該傳感器的測(cè)量效果較好，利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與作用效果。如下表為某測(cè)量中該溫濕度傳感器的測(cè)量誤差，可見該傳感器的測(cè)量效果較好，利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與作用效果。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2 所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

通過C 語(yǔ)言對(duì)每個(gè)程序塊進(jìn)行編程。如果想讓農(nóng)業(yè)大棚里面的溫度和濕度數(shù)據(jù)測(cè)量精確，便需要使用極其靈敏的中斷響應(yīng)控制，通過這種控制方法人們便可以輸入更多的信息來確定溫度、濕度、二氧化碳等參數(shù)的范圍。該控制系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程中每隔一定的周期便會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚周圍的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行收集和觀察，并判斷這些數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如果不符合便會(huì)發(fā)出警報(bào)提示工作人員?；谠撓到y(tǒng)的幫助下，能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)大棚附近的參數(shù)保持在正常的范圍內(nèi)。

3 參數(shù)調(diào)節(jié)

3.1 溫濕度調(diào)節(jié)

以黃瓜為例，大棚中溫濕度影響很重要，溫度是農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要參數(shù)，溫度是影響酶的活性從而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況。濕度會(huì)影響農(nóng)作物的水分，從而進(jìn)一步影響作物各離子的濃度。溫室大棚控制中溫濕度之間有著耦合控制的關(guān)系，溫度和濕度會(huì)互相影響導(dǎo)致控制難度增加。調(diào)節(jié)規(guī)律如式(1)和表1 所示。

表1 溫濕度參數(shù)變化規(guī)律

其中，ψ代表濕度，T 代表溫度。

3.2 二氧化碳調(diào)節(jié)

本文將黃瓜中的二氧化碳參數(shù)作為例子進(jìn)行展示。大氣中的CO2平均濃度為0.03 %，但大棚內(nèi)因?yàn)橹参锟梢赃M(jìn)行光合作用降CO2的濃度，所以大棚內(nèi)的二氧化碳濃度會(huì)低于0.03 %，嚴(yán)重影響植物的產(chǎn)量，以黃瓜為例，如果溫室內(nèi)的二氧化碳含量提高到0.1%時(shí)，黃瓜可增產(chǎn)10%～20%。所以要及時(shí)的補(bǔ)充二氧化碳含量。補(bǔ)充二氧化碳的方法通常有三種：

3.2.1 化學(xué)反應(yīng)法。目前利用化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)產(chǎn)生二氧化碳的方法有很多，如利用稀硫酸與碳酸氫銨之間的反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳。還有一種是通過燃燒液化石油氣、燃燒液化天然氣、燃燒白煤油等方法增加二氧化碳的含量。

3.2.2 發(fā)酵法。利用作物秸稈發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳，對(duì)大棚內(nèi)的二氧化碳進(jìn)行補(bǔ)充。

3.2.3 采用瓶裝或罐裝的二氧化碳。本系統(tǒng)采用的是山東佐田氏生物科技有限公司生產(chǎn)的固體二氧化碳?xì)夥?，是利用包衣后的硫酸鋁和碳酸鈣，按一定比例混合，遇水放出CO2的原理進(jìn)行，該產(chǎn)品具有物理性狀好、化學(xué)性狀穩(wěn)定、應(yīng)用安全、方便易操作及肥效長(zhǎng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是山東佐田氏生物科技有限公司生產(chǎn)的固體二氧化碳?xì)夥剩抢冒潞蟮牧蛩徜X和碳酸鈣，按一定比例混合，遇水放出CO2的原理進(jìn)行，該產(chǎn)品具有物理性狀好、化學(xué)性狀穩(wěn)定、應(yīng)用安全、方便易操作及肥效長(zhǎng)等特點(diǎn)。使用紅外CO2傳感器6004，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高、價(jià)格便宜，可以很好的滿足農(nóng)戶的要求。該二氧化碳傳感器的系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)和外圍電路組成，其中，光學(xué)系統(tǒng)包括紅外光源、采樣氣室以及探測(cè)器，外圍電路包括STM32 單片機(jī)、光源驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、溫度采集電路、加熱模塊、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、無線藍(lán)牙模塊以及上位機(jī)。二氧化碳濃度調(diào)節(jié)規(guī)律：日出后二氧化碳濃度快速下降，上午九點(diǎn)時(shí)降至196mg/m3左右，出現(xiàn)二氧化碳饑餓，這時(shí)候即使進(jìn)行通風(fēng)也不能夠滿足植物生長(zhǎng)，這樣必須在大棚內(nèi)添加有機(jī)肥以便二氧化碳濃度在1080～1473 mg/m3之間。

3.3 光照度調(diào)節(jié)

光照使蔬菜進(jìn)行光合作用必不可缺的能源，光照強(qiáng)度的高低將會(huì)直接對(duì)蔬菜的光合作用產(chǎn)生影響，光照強(qiáng)度高，產(chǎn)量就高，光照強(qiáng)度低，產(chǎn)量就低。也有人用其他農(nóng)作物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)光照只有一半時(shí)，產(chǎn)量降到49.4%；光照只有三分之一時(shí)，產(chǎn)量急劇減少，只有原來的13%，這也進(jìn)一步表明光照強(qiáng)度和產(chǎn)量之間成正比。

本文針對(duì)溫室大棚中植物不同光質(zhì)比的補(bǔ)光特點(diǎn)選用LXD 系列可見光硅光電池中的LXD23 CV-R 硅光電池二極管和LXD23CV B 硅光電池二極管，分別用來檢測(cè)紅光和藍(lán)光的強(qiáng)度，同時(shí)選用基于BH1750FVI 的數(shù)字光模塊GY 3 0 來檢。測(cè)環(huán)境的光照強(qiáng)度。采用不同的光照傳感器來檢測(cè)不同的光照強(qiáng)度可以充分發(fā)揮各自的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)GY 3 0 而言對(duì)環(huán)境檢測(cè)范圍大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，LXD23 CV R 與LXD23CV B 對(duì)單色光強(qiáng)度檢測(cè)更有優(yōu)勢(shì)。單色光色彩傳感器LXD23CV R 和LXD23CV B 是新型的半導(dǎo)體光敏原件，是由硅光電二極管和濾色器構(gòu)成的一種傳感器。這兩種傳感器因?yàn)榫哂泻?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)的抗干擾性能、高安全高可靠等特征，尤其是它的高靈敏度的色相感光，因而在檢測(cè)識(shí)別等方面具有很好的應(yīng)用前景。(1)紅光光強(qiáng)傳感器。紅光光強(qiáng)檢測(cè)芯片采用LXD23CV-R，在對(duì)植物進(jìn)行智能補(bǔ)光時(shí)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度，防止紅光補(bǔ)光過量或補(bǔ)光不足等現(xiàn)象。實(shí)物圖如圖3 所示。(2)藍(lán)光光強(qiáng)傳感器。藍(lán)光強(qiáng)檢測(cè)芯片采用LXD23CV-B，在對(duì)植物進(jìn)行智能補(bǔ)光時(shí)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度，防止藍(lán)光補(bǔ)光過量或補(bǔ)光不足等現(xiàn)象。實(shí)物圖如圖4 所示。(3)環(huán)境光強(qiáng)傳感器。環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)芯片采用GY-30，GY-30 數(shù)字光照模塊是一種自帶驅(qū)動(dòng)電路的、照射范圍高以及高分解的照度數(shù)字檢測(cè)器，它的測(cè)量范圍值在1-65536 勒克斯。對(duì)光照強(qiáng)度的測(cè)量中對(duì)光源的依賴較小，對(duì)紅外線的影響也比較小，并且測(cè)量光譜范圍肉眼可見。GY-30 光照傳感器的測(cè)光芯片是由半導(dǎo)體制造商ROHM 生產(chǎn)的BH1750FVI，該芯片不僅具有較高的分辨率，而且相比具有費(fèi)用高、電路復(fù)雜、光強(qiáng)采集不理想等缺陷的傳統(tǒng)采光系統(tǒng)。BH1750FVI 具有明顯的優(yōu)勢(shì)，前者使其測(cè)量的光強(qiáng)度范圍較大，后者采光強(qiáng)度和精度都比較高，并且BH1750 還具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)與集成等優(yōu)點(diǎn)，使得GY 3 0 光照傳感器作為溫室大棚環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)模塊非常適合。

圖3 LXD23CV-R 傳感器實(shí)物圖

圖4 LXD23CV-B 傳感器實(shí)物圖

4 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基與STM32 單片機(jī)控制芯片，使用多種傳感器，采集溫濕度、二氧化碳濃度以及光強(qiáng)度等參數(shù)，從而使得人們對(duì)其可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)。采用收集到的數(shù)據(jù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析提供了精確的數(shù)據(jù)支持，從而使大棚組件進(jìn)行智能管理，向現(xiàn)代化智能大棚發(fā)展，大大提高農(nóng)作物產(chǎn)量。