大棚太陽(yáng)能智能溫光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊正富，洪西洋，黃國(guó)奔，田棟煒，熊必濤

(浙江科技學(xué)院 理學(xué)院，杭州 310023）

大棚太陽(yáng)能智能溫光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊正富，洪西洋，黃國(guó)奔，田棟煒，熊必濤

(浙江科技學(xué)院 理學(xué)院，杭州 310023）

以農(nóng)業(yè)智能為理念，設(shè)計(jì)了以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)能源的智能溫光調(diào)控大棚。調(diào)控系統(tǒng)由大棚整體框架、太陽(yáng)能供電模塊、光強(qiáng)控制模塊和溫度控制模塊組成。光強(qiáng)控制模塊包括百葉窗、光學(xué)傳感器、單片機(jī)控制電路和步進(jìn)電機(jī)，通過檢測(cè)光的強(qiáng)度，利用單片機(jī)控制電路來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)百葉窗的轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的控制。而溫度是通過溫度控制模塊來(lái)控制的。系統(tǒng)吸收了相關(guān)溫室大棚的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)，并用太陽(yáng)能電池作為驅(qū)動(dòng)能源，可以根據(jù)外界的條件自動(dòng)對(duì)大棚的光強(qiáng)和溫度進(jìn)行控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，節(jié)能環(huán)保，有使用和推廣價(jià)值；如果將該系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中，在提高農(nóng)產(chǎn)量方面會(huì)有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

智能控制系統(tǒng)；光強(qiáng)控制；溫度控制；太陽(yáng)能；大棚；百葉窗

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，溫室大棚在中國(guó)應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1］。所以，溫室大棚在農(nóng)業(yè)中的作用也越來(lái)越突出。然而，傳統(tǒng)的人工手動(dòng)溫度和光照強(qiáng)度測(cè)量方法效率低、測(cè)試精度差，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚中溫度和光照強(qiáng)度的精確控制［2］，導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境很難被很好地控制。因此，對(duì)溫度和光照強(qiáng)度智能化控制技術(shù)［3］的需求也越來(lái)越迫切。

已有研究者對(duì)光強(qiáng)控制進(jìn)行了研究，但是還存在不足。一些研究者對(duì)光照強(qiáng)度控制模塊的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，主要包括調(diào)光設(shè)備和單片機(jī)控制電路，在實(shí)際中可能難以實(shí)現(xiàn)(主要是一些溫、濕度和光照度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［4］）；然而，這些量的控制對(duì)于農(nóng)民來(lái)說是比較重要的。因此，本研究力求設(shè)計(jì)的光照強(qiáng)度控制模塊相對(duì)簡(jiǎn)單。

大棚太陽(yáng)能智能溫光調(diào)控系統(tǒng)中類似百葉窗的光強(qiáng)控制模塊受到生活中常用的百葉窗的啟發(fā)而設(shè)計(jì)，可以將農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境保持在適宜的光照范圍之內(nèi)，通過自動(dòng)化系統(tǒng)控制［5］使農(nóng)作物更好地生長(zhǎng)，從而有望實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增產(chǎn)，還可以在一定的程度上方便溫室大棚的管理。同時(shí)，系統(tǒng)還增設(shè)了太陽(yáng)能供電模塊，更加節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)自然能源的有效利用、降低成本與減少污染。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

大棚太陽(yáng)能智能溫光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示，已能達(dá)到設(shè)計(jì)的全部功能。該系統(tǒng)的各個(gè)組件有：大棚整體框架、太陽(yáng)能供電模塊、溫度控制模塊和光照強(qiáng)度控制模塊(光學(xué)傳感器［6］、百葉窗式遮光裝置、步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)控制電路）。百頁(yè)窗原理圖如圖2所示。

圖1 光照強(qiáng)度和溫度控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of light-intensity and temperature controlling

圖2 百葉窗原理圖Fig.2 Schematic diagram of shutters

1.1 光強(qiáng)控制

太陽(yáng)光照太強(qiáng)時(shí)，植物的光合作用會(huì)受到抑制，所以需要光學(xué)傳感器每隔一段時(shí)間檢測(cè)一次數(shù)據(jù)并結(jié)合單片機(jī)來(lái)控制大棚內(nèi)的光強(qiáng)使其達(dá)到合適的值。本研究在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定了合適的光照強(qiáng)度和溫度參考值。當(dāng)光強(qiáng)比適宜的光強(qiáng)參考值弱時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)調(diào)整百葉窗的角度使全部光強(qiáng)入射大棚內(nèi)部；當(dāng)光強(qiáng)比適宜參考值強(qiáng)時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)調(diào)整百葉窗的角度使大棚內(nèi)的光強(qiáng)保持在參考值附近。具體過程為：先將百葉窗轉(zhuǎn)動(dòng)180°，設(shè)定每轉(zhuǎn)動(dòng)5°測(cè)量一次光照強(qiáng)度，然后通過單片機(jī)程序(要用到冒泡法）選出最接近參考值的一個(gè)數(shù)據(jù)，再求出所對(duì)應(yīng)的角度，最后控制電機(jī)轉(zhuǎn)到該角度即可(轉(zhuǎn)動(dòng)角度可通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間來(lái)得到）。此外，光控電路并不是時(shí)時(shí)開啟的，而是每半小時(shí)開啟一次，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到適合角度停止后，光控電路停止工作。這是因?yàn)榘胄r(shí)內(nèi)光強(qiáng)變化不會(huì)特別大，而且這樣能夠更省電。當(dāng)然，這一間隔可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。

1.2 溫度調(diào)節(jié)

內(nèi)部溫度傳感器［7］每半小時(shí)檢測(cè)一次溫度數(shù)據(jù)，在內(nèi)部溫度高于溫度參考值時(shí)，可以全開通風(fēng)窗并打開排風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行降溫；當(dāng)溫度低于參考值時(shí)，關(guān)閉通風(fēng)窗口和排風(fēng)扇，使大棚處于封閉狀態(tài)，通過大棚原有的保溫效應(yīng)提高大棚內(nèi)部溫度。

1.3 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能電池組可以為系統(tǒng)提供電力，到晚上，白天被太陽(yáng)能模塊充電的蓄電池還可以為照明燈提供電力，滿足夜間大棚的電力需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能供電模塊

太陽(yáng)能供電模塊(圖3）是由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、直流變化器等部分組成，在正常光照情況下，輸出直流電壓［8］。太陽(yáng)能電池方陣是將多個(gè)單一的太陽(yáng)能電池板經(jīng)過串聯(lián)或者并聯(lián)，進(jìn)行組裝和封裝后構(gòu)成太陽(yáng)能電池，它是由半導(dǎo)體材料做成的，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成直流電流形式的電能。該直流電流經(jīng)過DC-DC直流變換器(因?yàn)橐獙?duì)12 V的蓄電池進(jìn)行充電，而市場(chǎng)上工作電壓大于12 V的太陽(yáng)能電池板型號(hào)一般工作電壓為18 V，開路電壓為20 V左右，轉(zhuǎn)化效率為16%左右，故該模塊采用該型號(hào)的太陽(yáng)能電池板，不能直接將12 V蓄電池連接到太陽(yáng)能電池板兩端），把直流輸入電壓降低到略高于蓄電池的12 V電壓(約為13.8 V），串聯(lián)一個(gè)二極管(防止蓄電池的電流倒流到太陽(yáng)能電池板），再接到12 V的蓄電池，從而達(dá)到太陽(yáng)能發(fā)電功能。

2.2 光強(qiáng)控制模塊

圖3 太陽(yáng)能供電模塊Fig.3 Solar power modules

早上，當(dāng)光強(qiáng)超過光學(xué)傳感器能感應(yīng)光強(qiáng)的下限時(shí)，光照強(qiáng)度控制模塊開始工作。首先，將百葉窗轉(zhuǎn)動(dòng)180°，每5°檢測(cè)一次光照強(qiáng)度，通過單片機(jī)程序求出最接近參考值的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的角度，再控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到該角度。這就實(shí)現(xiàn)了如下功能：在光強(qiáng)比適宜的參考值弱時(shí)，自動(dòng)調(diào)整百葉窗的角度使全部光強(qiáng)入射大棚內(nèi)部；在光強(qiáng)比適宜參考值強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)調(diào)整百葉窗的角度使大棚內(nèi)的光強(qiáng)保持在參考值附近。傍晚，當(dāng)光強(qiáng)低于光學(xué)傳感器能感應(yīng)光強(qiáng)的下限時(shí)，控制電路直接將百葉窗轉(zhuǎn)到閉合狀態(tài)，這可以通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速求出轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間來(lái)加以控制。百頁(yè)窗模塊實(shí)物如圖4所示。

2.3 溫度控制模塊

該系統(tǒng)還加入了一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度控制模塊，在內(nèi)部溫度傳感器收集到的數(shù)據(jù)高于設(shè)定的參考值時(shí)，控制排風(fēng)扇和通風(fēng)口開啟，降低大棚內(nèi)部溫度；當(dāng)溫度低于參考值時(shí)，關(guān)閉排風(fēng)扇和通風(fēng)口，使大棚處于封閉狀態(tài)，通過大棚原有的保溫效應(yīng)提高大棚內(nèi)部溫度。

圖4 百葉窗模塊Fig.4 Shutters modules

3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與效果

將設(shè)計(jì)好的大棚模型放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，打開電源，使系統(tǒng)在設(shè)定好的光照系統(tǒng)下開始正常工作，以此來(lái)模擬在一天中不同光照強(qiáng)度下大棚的工作狀態(tài)。

電源開啟后，每隔半小時(shí)將百葉窗轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，再通過光學(xué)傳感器將檢測(cè)到的一組光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)送入單片機(jī)控制電路然后與參考值進(jìn)行比較，選出最接近的數(shù)據(jù)，從而得到該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的最佳角度，再控制電機(jī)轉(zhuǎn)到該角度即可。溫度傳感器每隔半小時(shí)檢測(cè)一次大棚內(nèi)部溫度，高于參考值時(shí)打開排風(fēng)扇和通風(fēng)口降溫，低于參考值時(shí)關(guān)閉排風(fēng)扇和通風(fēng)口，通過保溫效應(yīng)增溫。

實(shí)驗(yàn)中選擇的植物的最適宜光強(qiáng)為30 000 lx左右，最適宜溫度為20℃左右，光學(xué)傳感器感應(yīng)光照強(qiáng)度的下限為1 000 lx。為簡(jiǎn)單起見，將光照系統(tǒng)固定在大棚模型正上方。

不同光照強(qiáng)度下百葉窗轉(zhuǎn)動(dòng)的角度見表1。設(shè)定光照強(qiáng)度低于1 000 lx，溫度為10℃，光強(qiáng)控制模塊控制百葉窗閉合；溫度控制模塊控制排風(fēng)扇和通風(fēng)口關(guān)閉，保持大棚密閉來(lái)增溫。設(shè)定光照強(qiáng)度為10 000 lx，溫度為10℃，太陽(yáng)能電池板開始工作，但轉(zhuǎn)化的電能不多，需要蓄電池給系統(tǒng)供電；而光照強(qiáng)度控制模塊會(huì)選擇讓光線全部進(jìn)入大棚內(nèi)；溫度控制模塊控制通風(fēng)口和排風(fēng)扇關(guān)閉，通過密封大棚的保溫效應(yīng)來(lái)增溫。設(shè)定光照強(qiáng)度為30 000 lx，溫度為20℃，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化的電能足夠供給系統(tǒng)工作，并為蓄電池充電；光強(qiáng)控制模塊和溫度控制模塊工作狀態(tài)與光照強(qiáng)度為10 000 lx，溫度為10℃時(shí)相同。設(shè)定光照強(qiáng)度為50 000 lx，溫度為30℃，太陽(yáng)能電池為系統(tǒng)工作提供電力，并為蓄電池充更多的電；棚外的光照強(qiáng)度大于適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的最適宜光強(qiáng)，光照強(qiáng)度控制模塊會(huì)選擇一個(gè)合適的角度來(lái)遮擋一部分陽(yáng)光，保持內(nèi)部光照強(qiáng)度不高于最適宜光強(qiáng)；溫度控制模塊通過控制排風(fēng)扇和通風(fēng)口的開啟來(lái)降溫。

表1 百葉窗轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨光照強(qiáng)度變化情況表Table 1 Rotating angle of shutters with light-intensity variation

通過檢測(cè)大棚內(nèi)不同時(shí)段的光照強(qiáng)度和溫度，由單片機(jī)控制電路根據(jù)不同數(shù)據(jù)對(duì)光照強(qiáng)度和溫度做出調(diào)整，可以達(dá)到大棚內(nèi)農(nóng)作物最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。系統(tǒng)的綜合運(yùn)行實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)綜合運(yùn)行實(shí)物圖Fig.5 Real-time running photo of greenhouse

4 結(jié) 語(yǔ)

大棚太陽(yáng)能智能溫光調(diào)控系統(tǒng)通過太陽(yáng)能供電模塊、溫度控制模塊和光照強(qiáng)度控制模塊的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)溫度、光照強(qiáng)度的穩(wěn)定控制。同時(shí)，該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電模塊和智能化的溫光控制結(jié)合，一定程度上既提高了系統(tǒng)的節(jié)能水平，又提高了系統(tǒng)的工作效率；采用光學(xué)傳感器，使系統(tǒng)更加智能化。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電路相對(duì)簡(jiǎn)潔，性能可靠，對(duì)溫光控制的效果較好，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，有潛在的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面進(jìn)行推廣和使用。

［1］ 張鈺玲.農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(8）：52-53.

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［3］ 陳書欣，馬洪濤，劉璽.智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.河北工業(yè)科技，2011，28(4）：240-243.

［4］ 王麗雅.大棚溫濕度和光照度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)工業(yè)，2013，3(4）：48-51.

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［7］ 趙秀珍，王乃釗，毛文華.光照度、空氣溫/濕度傳感器的研究和實(shí)驗(yàn)［J］.中國(guó)儀器儀表，2002(1）：29-31，36.

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Design of temPerature and light-intensity control system for solar intelligent greenhouse

FAN Zhengfu，HONG Xiyang，HUANG Guoben，TIAN Dongwei，XIONG Bitao
(School of Sciences，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China）

A solar intelligent greenhouse with the temperature and light-intensity control function is designed，which is based on the intelligent concept for agriculture.The control system is composed of a general framework of the greenhouse，a solar power supply module，a light-intensity control module and a temperature control module.The light-intensity control module includes shutters，an optical sensor，a single chip microcomputer(SCM）control circuit and a stepping motor.By detecting the light-intensity，the SCM control circuit controls the stepping motor to rotate the shutters，and the light-intensity can be controlled accordingly. And the temperature control module can also adjust the temperature.This solar intelligent greenhouse is based on our own design with the advantages of the relevant greenhouse，and it canautomatically control the greenhouse's light-intensity and temperature according to the external conditions.It has outstanding advantages including simple structure，simplicity of operation，energysaving and environmental compatibility，and can be worth using and promoting for the future.If this system is applied to the agriculture，it will promise to increase the agricultural output.

intelligent control system；light-intensity control；temperature control；solar energy；greenhouse；shutters

TP273.5；S625.5

A

1671-8798(2014）05-0353-04

10.3969/j.issn.1671-8798.2014.05.007

2014-06-02

浙江省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(Y201326717）；浙江省教育廳高等學(xué)校訪問學(xué)者專業(yè)發(fā)展項(xiàng)目(FX2013092）；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃）(2013R415035，2014R415031）；浙江科技學(xué)院學(xué)科交叉預(yù)研專項(xiàng)項(xiàng)目(2013JC11Y）

樊正富(1992― ），男，浙江省衢州人，2010級(jí)應(yīng)用物理專業(yè)本科生。

熊必濤，副教授，博士，主要從事太陽(yáng)能電池系統(tǒng)和薄膜電池材料的研究。