新型智能無人大棚的研究與設計

張　勝　王海曉　翟龍濤　劉志遠

（德州學院　機電工程學院，山東　德州　253023）

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新型智能無人大棚的研究與設計

張勝王海曉翟龍濤劉志遠

（德州學院機電工程學院，山東德州253023）

摘要：新型智能無人大棚是立足于農業(yè)現(xiàn)代化，利用多元化的控制及傳感技術來促進農業(yè)增產增收。大棚由型號為51的單片機與嵌入式linux操作系統(tǒng)和ARM處理器等器件組成核心控制系統(tǒng)，并配合土壤濕度檢測加濕裝置、溫度控制模塊、GMS短信模塊、太陽能供電能源轉換系統(tǒng)和風力發(fā)電機組等，一舉實現(xiàn)對大棚的遠程監(jiān)控、遠程管理?？偟膩碚f，一方面多種先進技術的綜合利用實現(xiàn)了現(xiàn)代農業(yè)的規(guī)范化、自動化生產發(fā)展，減少了人力資源的投入；另一方面，太陽能和風能的綜合利用，響應了國家節(jié)能減排的政策號召，降低了農業(yè)生產時所需要的大量能源消耗，實現(xiàn)環(huán)境友好型農業(yè)跨越式發(fā)展。

關鍵詞：現(xiàn)代農業(yè)；單片機；智能調節(jié)；遠程管理；節(jié)能減排

經過近40年的改革與發(fā)展，我國農業(yè)進入一個新的發(fā)展階段。新階段下農業(yè)繼續(xù)朝著多樣化、優(yōu)質化、智能化的大方向發(fā)展。因此，要加快農業(yè)發(fā)展步伐，就必須把高科技應用到農業(yè)生產上，大力拓寬農業(yè)化生產增收道路，加快農業(yè)現(xiàn)代化建設步伐。新型智能無人大棚屬生態(tài)保護型項目，對環(huán)境無任何污染和破壞。不僅符合人們“環(huán)?！薄熬G色”“無污染”的消費理念，同時也提高了農業(yè)綜合生產能力，促進經濟發(fā)展，著力建設環(huán)境優(yōu)美的新農村。

1　系統(tǒng)簡介

1.1作品組成部分

新型智能無人大棚由核心控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)構成。其中，核心控制系統(tǒng)采用型號為51的單片機與嵌入式linux操作系統(tǒng)和ARM處理器相結合共同構成，在整個棚內設施中起主導支配作用；執(zhí)行系統(tǒng)由土壤濕度檢測加濕裝置、溫度監(jiān)測與控制模塊、GMS短信模塊、太陽能供電系統(tǒng)和風力發(fā)電能源裝換機組組成?？刂葡到y(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)的全方位無縫隙配合，實現(xiàn)了現(xiàn)代農業(yè)大棚能源自給自足、遠程監(jiān)控、遠程管理的多項功能［1］。

1.2單片機主控系統(tǒng)

新型智能無人大棚單片機控制系統(tǒng)由型號為51的單片機與嵌入式linux操作系統(tǒng)和ARM處理器等組成，本控制系統(tǒng)主要主導對各個分模塊的信息輸送，同時對各個分模塊反饋的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理、整理，并重新向各個分模塊發(fā)送調整完畢的執(zhí)行數(shù)據(jù)，即單片機主控系統(tǒng)可以全面代替人工來完成棚內的調節(jié)管理工作。大棚管理者可以利用GMS短信模塊通過互聯(lián)網登錄An?droid客戶端遠程智能獲取與處理作物生長過程中的各項狀況信息及環(huán)境參數(shù)，所以管理者足不出戶就可以便捷的管理新型智能無人大棚。

1.3土壤濕度檢測加濕模塊

該模塊主要有濕度計檢測模塊、水泵加濕裝置、顯示屏等器件構成。在作物合理密植的情況下，每4m2土地就需要1個濕度檢測計實時監(jiān)測土壤的濕度狀況。當濕度檢測計檢測模塊檢測到棚內土壤濕度不夠時，控制系統(tǒng)會自行啟動水泵加濕裝置進行抽水灌溉加濕作物土壤。同時，顯示屏會顯示棚內濕度狀況。多項監(jiān)測裝置緊密配合，創(chuàng)造作物生長的最佳土壤條件。

1.4溫度控制模塊

模塊包括溫度傳感器、溫度計檢測模塊、風扇散熱器、光暖加熱器和顯示屏等主要器件。當溫度檢測計模塊檢測到棚中溫度偏高時，控制系統(tǒng)會使風扇散熱器自動開啟，為作物生長的環(huán)境降溫；當棚內溫度偏低時，控制系統(tǒng)同樣會開啟光暖加熱器，達到棚內升溫的目的。實時調控棚內溫度，切實調節(jié)作物生長所需溫度，有利于作物生長。

1.5太陽能供電能源轉換系統(tǒng)和風力發(fā)電機組

太陽能供電能源轉換系統(tǒng)，主要有太陽能板、蓄電池組、光敏傳感器、控制器和逆變器等組成。當太陽升起時，光敏傳感器會接受到太陽光的信息，即能實現(xiàn)太陽能板跟蹤太陽的功能，提高太陽能利用率。風力發(fā)電機組包括風力發(fā)電機、蓄電池組等主要部件。外界自然風吹拂風力發(fā)電機時，可實現(xiàn)風力發(fā)電的功能，此系統(tǒng)發(fā)出的電能可通過安裝在地下的蓄電池組儲存起來，以輔助解決無風或夜晚的電力短缺問題，太陽能和風能的綜合互補利用完全可以保障新型智能無人大棚內部設備用電需求，實現(xiàn)全天候電力的充沛供應。不管是在郊區(qū)還是在遠離電廠的荒郊野外，該棚都有一個獨立的能源自給系統(tǒng)，節(jié)能減排。

2　工作原理

新型智能無人大棚是立足于農業(yè)，應用現(xiàn)代化的技術來促進農業(yè)發(fā)展，大棚內多元化利用傳感技術來保障農業(yè)增產增收。通過控制系統(tǒng)（主要由51單片機構成的控制系統(tǒng)）和土壤濕度檢測計控制水泵加濕裝置，方便及時對作物土壤進行濕度的調控；應用溫度控制模塊通過控制風扇散熱器達到降溫目的；當棚內溫度過低時，控制系統(tǒng)會開啟光暖加熱器給環(huán)境升溫，確保作物良好的生長環(huán)境；此外，新型智能無人大棚附帶的太陽能板具有自動跟光功能，切實提高太陽能的利用率（見圖1）。大棚還裝有風力發(fā)電機組，將風能應用到農業(yè)生產當中。太陽能和風能的綜合利用，響應了國家節(jié)能減排政策的號召，降低了農業(yè)生產時所需的大量能源消耗。用戶可以通過GMS短信模塊實現(xiàn)遠程監(jiān)控棚內的作物生長情況及各項環(huán)境參數(shù)，達到智能化、科學化、遠程化、生態(tài)化的實際管理應用效果。

圖1 產品主要部件及其模塊結構工作原理圖

3　市場前景及應用價值

目前，實際生產中的同類大棚智能化程度不高，且需大量的電力供應設備及生產人員的前期投入，費用高昂。本大棚不需太多的人力來管理，基本上實現(xiàn)了無人化自行調節(jié)和管理。而且使用地點不受限制，可以廣泛地建設在有農家樂的郊區(qū)、遙遠的野外、山口或海邊的風區(qū)等遠離電廠地段，可自給電力需求達到節(jié)能環(huán)保的應用效果。另外，還有國家大力發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)的政策支持，潛力巨大。

4　結語

新型智能無人大棚一方面解決了農業(yè)作物生產中對人力資源的嚴重依賴性問題；另一方面，可以降低高昂的能耗降低成本，是一種集低碳、節(jié)能、環(huán)保、旅游于一體的新型農業(yè)發(fā)展形式。該棚的出現(xiàn)更是促進我國現(xiàn)代化農業(yè)又向前邁出了堅實的一大步?？梢哉f，多種技術的綜合利用正在進一步實現(xiàn)我國現(xiàn)代化農業(yè)的規(guī)范化、自動化生產發(fā)展。另外，應用現(xiàn)代化科學技術可以規(guī)避作物季節(jié)性旱澇的風險，確保作物的增產高產。新型智能無人大棚還可以作為觀光旅游和生態(tài)農業(yè)相結合的良好試點，游人既可以體驗到農業(yè)的魅力，又可以享受來自鄉(xiāng)村的淳樸風采。

參考文獻：

［1］秦曾煌.電工技術［M］.北京：高等教育出版社，1999.

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0048-02

收稿日期：2016-01-25

作者簡介：張勝（1993-），男，本科，研究方向：能源與動力工程。

Research and Design of a New Intelligent Unmanned Greenhouse

Zhang ShengWang HaixiaoZhai LongtaoLiu Zhiyuan
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Dezhou University，Dezhou Shandong 253023）

Abstract:The new intelligent greenhouse is based on the agricultural modernization,the use of diversified control and sensing technology to increase agricultural production and income.Greenhouse devices form the core of the control system that consists of models for 51 MCU and embedded Linux operating system and arm processor,and with the soil moisture detection humidifying device,a temperature control module,GMS SMS module,solar powered energy conversion systems and wind generator,we realized the remote monitor?ing,remote management of greenhouse.Total to say,the comprehensive utilization of a variety of advanced technology realized modern agriculture standardization and automation of the production development,reduc?ing the investment in human resources;on the other hand,comprehensive utilization of solar energy and wind energy,it responded to the national energy conservation and emission reduction policies,and reduced the large amount of energy consumed in the agricultural production,and realized the great leap forward de?velopment of environmental friendly agriculture.

Keywords:modern agriculture；singlechip；intelligent regulation；remote management；energy saving and emis?sion reduction