江美枝

摘 要：【目的】為了提高農(nóng)作物產(chǎn)量、生產(chǎn)效益及生產(chǎn)效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大棚農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化、智能化管理，以Arduino控制主板為核心，設(shè)計(jì)出智慧農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)?！痉椒ā吭撓到y(tǒng)通過溫度傳感器、光照檢測(cè)傳感器、土壤濕度傳感器來采集大棚內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到Arduino主芯片，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，調(diào)整大棚內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，使農(nóng)作物達(dá)到生長最佳狀態(tài)?！窘Y(jié)果】當(dāng)檢測(cè)到溫度不佳時(shí)，自動(dòng)開啟溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)行散熱或加熱，調(diào)整大棚內(nèi)溫度，使大棚內(nèi)的溫度達(dá)到理想狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到光線不利于農(nóng)作物生長時(shí)，自動(dòng)開啟光電控制系統(tǒng)來調(diào)整光照強(qiáng)度；當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度不利于植物生長時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)灌溉系統(tǒng)，直到土壤濕度達(dá)標(biāo)才自動(dòng)停止灌溉?！窘Y(jié)論】經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)能快速處理，且控制模塊的靈敏度高。智慧農(nóng)業(yè)大棚可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化管理，更符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚種植需求。

關(guān)鍵詞：Arduino；傳感器；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP212；TP277? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）03-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.003

Design of Intelligent Agricultural Greenhouse Environment Detection System Based on Arduino

JIANG Meizhi

（Wuchang Polytechnic College， Wuhan 430200，China）

Abstract：[Purposes] In order to improve the production yield， benefit， and efficiency of crops， and to achieve automated and intelligent management of greenhouse agriculture， an intelligent agricultural greenhouse environment detection system is designed with Arduino control motherboard as the core.? [Methods] The system detects relevant data in the greenhouse environment through temperature sensors， light detection sensors， and soil humidity sensors， and sends the detected data to the Arduino main chip. By means of data comparison， automatic control is made to ensure that all environmental parameters in the greenhouse reach the optimal state of crop growth. [Findings] When poor temperature is detected， the temperature control system is automatically turned on to dissipate heat or heat， and the temperature inside the greenhouse is adjusted to reach the ideal state; when detecting that light is not conducive to crop growth， the system automatically turns on the photoelectric control system to adjust the light intensity; when it is detected that soil moisture is not conducive to plant growth， the irrigation system will automatically start until the soil moisture meets the standard， and irrigation can be automatically stopped.? [Conclusions] After experimental testing， the data detected in the system can be processed quickly， and the control module has high sensitivity. The intelligent greenhouse environment can achieve automated and intelligent management， which is more in line with the needs of modern agricultural greenhouse planting.

Keywords： Arduino; sensor; automatic control

0 引言

隨著科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，我國大棚農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速。相較于傳統(tǒng)的控制方式，智慧系統(tǒng)控制的最大優(yōu)點(diǎn)為能自動(dòng)檢測(cè)大棚內(nèi)的環(huán)境情況，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境數(shù)據(jù)不佳時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，確保大棚內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定，從而保證農(nóng)作物適宜的生長條件，避免因人為因素造成不必要的損失，更能大大降低勞動(dòng)成本。本研究設(shè)計(jì)的智慧農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以Arduino為核心［1-2］，可對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫度、光照、土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并根據(jù)實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)裝置進(jìn)行自動(dòng)化控制。

1 總體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以Arduino控制板為核心，結(jié)合溫度傳感器、光照檢測(cè)傳感器、土壤濕度傳感器，從經(jīng)濟(jì)適用性、智能化、自動(dòng)化等方面考量進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智慧農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的智能控制模擬。當(dāng)檢測(cè)到大棚內(nèi)的溫度過高或過低時(shí)，會(huì)自動(dòng)打開或關(guān)閉通風(fēng)、卷簾散熱系統(tǒng)；當(dāng)檢測(cè)到光照強(qiáng)度不利于農(nóng)作物高效生長時(shí)，會(huì)自動(dòng)打開補(bǔ)光燈，并根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的光照強(qiáng)度來智能調(diào)節(jié)補(bǔ)光強(qiáng)度；當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度較低時(shí)，會(huì)自動(dòng)開啟灌溉系統(tǒng)，直至土壤濕度到達(dá)理想狀態(tài)。

該系統(tǒng)的整體運(yùn)行由Arduino控制板負(fù)責(zé)，整體框架如圖1所示。當(dāng)該系統(tǒng)開啟時(shí)，溫度傳感器、光敏檢測(cè)傳感器、土壤濕度檢測(cè)傳感器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)大棚內(nèi)的環(huán)境情況，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳到Arduino主芯片，在Arduino內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，對(duì)照設(shè)定的閾值來完成控制信號(hào)的輸出，并控制對(duì)應(yīng)裝置的工作狀態(tài)，從而調(diào)整大棚內(nèi)部環(huán)境，使各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)滿足農(nóng)作物最佳生長要求。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)傳感器模塊

該系統(tǒng)采用DS18B20溫度檢測(cè)傳感器，模塊內(nèi)部電路如圖2所示，DS18B20是單線數(shù)字、適配微處理器的智能數(shù)字溫度傳感器，其封裝小、抗干擾能力強(qiáng)，具有3個(gè)引腳，分別為數(shù)字信號(hào)端（DQ）、電源地（GND）、電源輸入端（VCC）。檢測(cè)溫度的范圍為-55～+125 °C，可進(jìn)行9～12位的編程，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；工作電壓3～5.5 V，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20進(jìn)行通信，占用微處理器的端口較少。該溫度傳感器與其他加熱或散熱裝置協(xié)同工作，可保證大棚內(nèi)溫度穩(wěn)定在最合適農(nóng)作物生長的溫度范圍內(nèi)，其與Arduino的電路連接如圖3所示。

2.2 土壤濕度檢測(cè)傳感器模塊

該系統(tǒng)采用電阻式土壤濕度傳感器Soil Moisture Sensor。Soil Moisture Sensor模塊的工作電壓為5 V，是一種簡單的土壤含水量感應(yīng)器，可用來測(cè)量土壤的含水量。該傳感器為叉形設(shè)計(jì)，便于直接插入土壤中。該傳感器表面進(jìn)行了鍍金處理，加強(qiáng)其導(dǎo)電性和抗腐蝕性。在將模塊插入土壤后，輸出電壓隨土壤濕度升高而增大，用戶根據(jù)電壓值來判斷土壤的濕度情況，輸出值為0～300%RH時(shí)為干土壤、300%～700%RH為濕土壤、700%～950%RH為水［3］。該檢測(cè)模塊傳輸過來的值為模擬值，所以在連接Arduino時(shí)需要連接模擬引腳。該檢測(cè)模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，與主板連接的電路如圖4所示。

2.3 光檢測(cè)傳感器模塊

該系統(tǒng)通過光敏電阻對(duì)大棚室內(nèi)的光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用測(cè)量到的光線數(shù)與預(yù)設(shè)數(shù)進(jìn)行對(duì)比，調(diào)節(jié)光照系統(tǒng)的補(bǔ)光程度。光敏電阻是一類利用半導(dǎo)體材料所制造的、獨(dú)特的電阻器，其作用機(jī)理是內(nèi)光電效應(yīng)［4］。內(nèi)部電阻值會(huì)因檢測(cè)到的光照強(qiáng)度不同而發(fā)生變化，暗電阻非常大，可達(dá)1.5 MΩ，亮電阻可小至1 kΩ，無光照時(shí)呈現(xiàn)出高阻態(tài)。

光敏電阻的結(jié)構(gòu)通常為薄片結(jié)構(gòu)，便于在使用過程中吸收更多的光能。同時(shí)，為了提高靈敏度，把電極做成梳狀圖案。當(dāng)受到光線照射時(shí)，光敏電阻的內(nèi)部會(huì)激發(fā)出電子—空穴對(duì)，產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)參與導(dǎo)電，電路中電流增強(qiáng)。光敏電阻與Arduino主板連接電路如圖5所示，光敏電阻是一個(gè)沒有極性的器件，可將其當(dāng)作一個(gè)電阻器來使用，其檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)，通過串聯(lián)一個(gè)分壓電阻，檢測(cè)光敏電阻分得的電壓值，再將其送到Arduino單片機(jī)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)控制相應(yīng)設(shè)備。

2.4 大棚補(bǔ)光模塊

在農(nóng)作物生長過程中，有時(shí)因自然光線不足，會(huì)影響植物的生長，想要植物有更好的產(chǎn)量，并提高生產(chǎn)效益，就需要進(jìn)行補(bǔ)光。該智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測(cè)系統(tǒng)中的補(bǔ)光模塊采用的是PWM技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，波形圖如圖6所示，通過調(diào)整占空比來控制流過電流的大小，從而調(diào)整LED燈的亮度［5］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在智慧農(nóng)業(yè)大棚中，需要采集大棚內(nèi)的溫度、光照強(qiáng)度、土壤濕度，并將采集到的數(shù)據(jù)跟設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)實(shí)際需要來控制相應(yīng)設(shè)備的工作狀態(tài)，從而調(diào)整大棚內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)。為了使該系統(tǒng)能有條不紊工作，該系統(tǒng)的工作流程如圖7所示。 系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，先初始化整個(gè)系統(tǒng)，接著同時(shí)啟動(dòng)溫度采集、光照強(qiáng)度采集、土壤濕度采集模塊來采集大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)跟預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，如果不在設(shè)定范圍內(nèi)，則根據(jù)需要自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)設(shè)備，直到檢測(cè)到的結(jié)果滿足要求，才自動(dòng)停止相應(yīng)設(shè)備。如：初始化系統(tǒng)后，溫度采集模塊自動(dòng)檢測(cè)大棚內(nèi)的溫度情況，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到Arduino主板中，判斷該檢測(cè)的溫度是否在（20 °C<溫度<30 °C）設(shè)定范圍內(nèi)，如果不在設(shè)定范圍內(nèi)，則開啟散熱或者加熱系統(tǒng)，否則關(guān)閉散熱或者加熱系統(tǒng)，繼續(xù)采集溫度，再判斷，不斷地循環(huán)該過程。

4 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試選用的模塊有一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)光敏傳感器、一個(gè)土壤濕度傳感器、一個(gè)通風(fēng)散熱/加熱模塊、一個(gè)光電控制模塊、一個(gè)灌溉系統(tǒng)。通過硬件連接測(cè)試、程序下載完成后，該系統(tǒng)能正常上電、初始化，系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)大棚溫度、光照強(qiáng)度、土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制相應(yīng)設(shè)備啟動(dòng)或停止工作。

5 結(jié)語

經(jīng)過測(cè)試功能調(diào)試，系統(tǒng)上電初始化后，能根據(jù)所處的大棚環(huán)境，實(shí)時(shí)檢測(cè)大棚內(nèi)的溫度，若檢測(cè)到的溫度高于或低于設(shè)定值，自動(dòng)開啟散熱或加熱系統(tǒng)；若檢測(cè)到的光線強(qiáng)度低于設(shè)定值，自動(dòng)開啟補(bǔ)光燈，并根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)燈光；若檢測(cè)到的土壤濕度低于設(shè)定的400%RH，可自動(dòng)開啟灌溉系統(tǒng)，直到檢測(cè)到的土壤濕度高于400% RH。同時(shí)，由于不同農(nóng)作物生長需要的生長溫度、光照、土壤濕度不同，可通過修改程序的設(shè)定值，將該系統(tǒng)應(yīng)用于不同的農(nóng)作物種植大棚。該系統(tǒng)操作簡單、成本低、檢測(cè)準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚種植的自動(dòng)化、智能化，且其功能調(diào)試狀態(tài)良好，達(dá)到預(yù)期效果。

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