張維華，張銀君，孫 越，甄景龍

（1.廣西科技師范學(xué)院，廣西 來賓 546199；2.齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005；3.禾望電氣股份有限公司，廣東 深圳 518055）

環(huán)境信息對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)具有十分重要的影響，所反映出的數(shù)據(jù)信息使得人們能夠清晰地了解農(nóng)作物生長狀況，以便于對(duì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行有效的管理，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量和效益。近些年來，隨著農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的推廣和改進(jìn)，以溫室種植為主的農(nóng)業(yè)大棚成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要舉措[1]，但由于農(nóng)業(yè)大棚一般所處的地理位置偏僻且面積較廣，供電距離較遠(yuǎn)，人工采集環(huán)境信息的效率低下，所得數(shù)據(jù)信息誤差較大，無法達(dá)到精確化的管理和降低成本，因此改進(jìn)農(nóng)業(yè)大棚的管理更是成為了迫切解決的問題。

郭鵬等[2]對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚進(jìn)行了智能化的環(huán)境監(jiān)測，取代了人工采集數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方式，提高了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；楊飛等[3]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚的信息化管理；朱均超等[4]設(shè)計(jì)了以物聯(lián)網(wǎng)為系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測系統(tǒng)，采集大棚內(nèi)的6個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)測和管理；陳曉寧等[5]則采用GPRS和射頻技術(shù)來對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。目前，有關(guān)農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)測系統(tǒng)[6]大多關(guān)注于數(shù)據(jù)采集的優(yōu)化和平臺(tái)的建立，而對(duì)于遠(yuǎn)距離供電帶來成本增加的問題并未給出優(yōu)化的方案。因此，研究改進(jìn)農(nóng)業(yè)大棚的供電問題對(duì)于降低管理的成本具有重要的意義。

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚地處地理位置偏遠(yuǎn)而造成供電成本高的問題，設(shè)計(jì)以光伏為核心的發(fā)電系統(tǒng)，將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚的供電管理，并將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能檢測技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境檢測裝置。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，因此需要考慮大棚的大小與大棚之間的間距，大棚長105 m，寬45 m，高2.5 m，考慮到ZigBee信號(hào)單點(diǎn)覆蓋范圍為75 m左右，因此ZigBee組網(wǎng)選用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成通訊。

農(nóng)業(yè)大棚室內(nèi)環(huán)境信息采集系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，分別為環(huán)境信息采集模塊、ZigBee無線傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。環(huán)境采集模塊包括主控芯片STM32F103、空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤pH值傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2傳感器、人體紅外傳感器。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括主機(jī)的核心控制芯片、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊、機(jī)智云服務(wù)器、手機(jī)APP軟件。

環(huán)境信息采集模塊是通過7類傳感器進(jìn)行采集，將采集到的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)通過控制器的ADC采集系統(tǒng)、數(shù)字串行通訊系統(tǒng)傳輸?shù)街骺匦酒校骺匦酒幚砗笸ㄟ^顯示燈和液晶屏顯示信息。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主控電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用ST公司推出的STM32F103CBT6[6-7]芯片作為本系統(tǒng)的單片機(jī)控制芯片，其外設(shè)電路由復(fù)位時(shí)鐘、晶振電路、供電電路、ST_LINK下載接口等部分組成，STM32F103CBT6單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖1所示。

圖1 主控電路原理圖

2.2 DC-DC電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的供電部分采用的是光伏直流供電系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)大棚中，市電安裝成本較高，由于農(nóng)業(yè)大棚有可能遠(yuǎn)離租戶，架線可能會(huì)造成巨大的成本。而采用光伏發(fā)電也能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并且安裝方便，移動(dòng)性好。為了節(jié)約能源，踐行可持續(xù)發(fā)展理念，因此在供電方向選擇光伏供電。

為此，在農(nóng)業(yè)檢控系統(tǒng)中，使用太陽能光伏電池板進(jìn)行發(fā)電，通過Buck電路把光伏電池板電壓進(jìn)行變換后給12 V的蓄電池充電，以此來作為整個(gè)檢控系統(tǒng)的供電來源。該電路采用MPPT控制算法來對(duì)光伏進(jìn)行最大功率的跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)光伏最大功率的輸出，而對(duì)于蓄電池的儲(chǔ)能過程，則采取三段式的充電控制策略。文獻(xiàn)[7]指出該控制策略能夠達(dá)到快速充電、防止過充現(xiàn)象發(fā)生的效果，電路原理如圖2所示。

圖2 光伏電路原理圖

2.3 環(huán)境檢測傳感器和無線模塊的設(shè)計(jì)

目前已知的能夠影響作物生長的因素已達(dá)上百種之多，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，不可能對(duì)這些信息進(jìn)行全部采集，根據(jù)對(duì)作物生長影響的大小，本文著重選擇影響較大的幾種環(huán)境因素作為檢測參數(shù)，如土壤的酸堿度、土壤的溫濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2體積分?jǐn)?shù)，將這些因素作為數(shù)據(jù)采集因子?？紤]到傳感器的性能和精確度，采用飛夢電子科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為FM-KWS電壓型溫濕度傳感器檢測大棚內(nèi)的空氣溫濕度，F(xiàn)M-SFC型號(hào)的土壤濕度傳感器采集大棚中的土壤含水量以及FM-GZ型號(hào)的光照度傳感器采集大棚中的光照強(qiáng)度。對(duì)于土壤的溫濕度的采集則采用華電科技有限公司生產(chǎn)的KG-LC247型號(hào)土壤溫度傳感器，土壤的pH值的檢測則采用北京速銳科技有限公司所生產(chǎn)的CH-3D型號(hào)的pH計(jì)傳感器，大棚內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)則采用深圳市煒盛科技集團(tuán)有限公司所生產(chǎn)的MH-Z19B進(jìn)行檢測。線通訊模塊選用鼎泰克電子有限公司所成產(chǎn)的DTK集成無線ZigBee模塊。網(wǎng)絡(luò)層采用Wi-Fi進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過主節(jié)點(diǎn)的主控芯片與ESP8266模塊相連進(jìn)行通信。

3 試驗(yàn)平臺(tái)和誤差分析

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境檢測系統(tǒng)如圖3所示，檢測方向主要為農(nóng)業(yè)大棚室內(nèi)環(huán)境檢測。該系統(tǒng)由空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和pH值傳感器組成，農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境檢測項(xiàng)目較為全面，并且可以通過ZigBee無線通訊技術(shù)把環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)上進(jìn)行顯示。主節(jié)點(diǎn)連接Wi-Fi模塊把檢測數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，通過用戶手機(jī)APP顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境檢測系統(tǒng)

3.2 APP數(shù)據(jù)界面

本次試驗(yàn)場地選擇農(nóng)業(yè)大棚試驗(yàn)田，試驗(yàn)田為土豆農(nóng)作物。該檢測系統(tǒng)的傳感器從機(jī)與ZigBee相連，路由器與Wi-Fi相連，手機(jī)聯(lián)網(wǎng)并打開APP，觀察主機(jī)和APP上顯示的環(huán)境數(shù)據(jù)，正常檢測狀態(tài)下的APP界面如圖4所示。

圖4 APP界面

3.3 數(shù)據(jù)的誤差分析

本文設(shè)計(jì)的大棚環(huán)境檢測系統(tǒng)所測得的大棚內(nèi)的空氣溫濕度如圖5所示。分析圖5可知，所測得的溫濕度值大小與實(shí)際測得的數(shù)值大小誤差保持在5%的范圍內(nèi)，有效地反映了大棚環(huán)境的溫濕度狀況。

圖5 空氣的溫濕度

對(duì)于土壤的溫濕度，根據(jù)傳感器所測得的數(shù)據(jù)情況如圖6所示。分析圖6可知，大棚內(nèi)土壤的溫度在07：00—15：00的時(shí)間段內(nèi)不斷上升，在16：00—19：00的時(shí)間段內(nèi)逐步的下降。而對(duì)于大棚內(nèi)土壤的濕度，除了13：00—15：00時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)出上升的趨勢，其余時(shí)間段內(nèi)為下降的狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)的顯示，土壤測得的溫濕度值與實(shí)際現(xiàn)場測得的數(shù)值平均誤差約為1%。

圖6 土壤的溫濕度

大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度變化情況如圖7所示。分析圖7可知，在07：00—15：00的時(shí)間段內(nèi)，大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，而在16：00—19：00的時(shí)間段內(nèi)，隨著夜幕的降臨，大棚的光照強(qiáng)度逐漸降低，且測得的數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)誤差為0.5%。

圖7 光照強(qiáng)度

大棚內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)如圖8所示，分析圖8可知，在07：00—17：00的時(shí)間段內(nèi)，大棚內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，而在17：00后的時(shí)間段內(nèi)，大棚內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢，其數(shù)據(jù)的誤差約為0.3%。

圖8 CO2體積分?jǐn)?shù)

大棚內(nèi)土壤的酸堿度如圖9所示。分析圖9可知，大棚內(nèi)的土壤在全天中呈現(xiàn)出酸性或者中性的狀態(tài)，所得的數(shù)據(jù)誤差約為0.1%。

圖9 土壤的pH值

4 結(jié)論

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的供電和管理問題，設(shè)計(jì)了一款基于光伏發(fā)電的農(nóng)業(yè)大棚檢測系統(tǒng)，從中得出了以下結(jié)論：①采用光伏發(fā)電技術(shù)解決了農(nóng)業(yè)大棚因地理位置偏遠(yuǎn)而造成供電難的問題，通過使用光伏發(fā)電達(dá)到了對(duì)新能源利用的目的，降低了發(fā)電的成本；②對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的管理，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控的目的，可隨時(shí)隨地使用手機(jī)APP軟件觀察大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)情況，及時(shí)了解大棚內(nèi)作物的生長信息；③該系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)與實(shí)際現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)誤差精度在5%以內(nèi)，較為真實(shí)地反映了大棚的數(shù)據(jù)信息，其系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性較好。