自動(dòng)檢測(cè)與智能控制的溫室果蔬生長(zhǎng)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林赟杰 呂償 林柄創(chuàng) 李嘉豪

摘 要：本系統(tǒng)采用單片機(jī)Arduino作為控制核心，對(duì)大棚的空氣溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用獨(dú)特的數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11同時(shí)采集溫度與濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)檢測(cè)自動(dòng)選擇相應(yīng)的控制模塊對(duì)溫室大棚環(huán)境情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化溫室大棚的控制，同時(shí)考慮多個(gè)因素，優(yōu)化果蔬生長(zhǎng)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：Arduino;智能自動(dòng)控制;溫室大棚

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）02-0028-03

Abstract： This system uses the single chip microcomputer Arduino as the control core to detect the air temperature and humidity of the greenhouse in real time， uses the unique digital temperature and humidity sensor DHT11 to collect the data of humidity and temperature at the same time， and automatically selects the corresponding control module through detection to adjust the environmental conditions of the greenhouse， so as to realize the control of the automatic greenhouse， and ?considers multiple factors to optimize the growth environment of fruits and vegetables.

Keywords： Arduino;intelligent automatic control;greenhouse

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，以前的農(nóng)業(yè)種植采用的是人力勞作方式。隨著科技的發(fā)展，種植手段已然改變，科學(xué)家將智能化帶入農(nóng)業(yè)，為農(nóng)民帶來(lái)了福利。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)、商業(yè)和住房用地不斷增加，使得耕地逐年減少。除此之外，地理、環(huán)境、天氣等因素對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響尤為重要。

目前，我國(guó)溫室種植果蔬以人工操作為主，屬于經(jīng)驗(yàn)型管理模式，人工管理的弊端在于對(duì)果蔬生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)控存在人為偏差，局限性較大，難以做到大面積的管理?，F(xiàn)在，溫室大棚大多利用人工操作來(lái)創(chuàng)造適合植物生長(zhǎng)的環(huán)境，這種方式耗費(fèi)人力，不能準(zhǔn)確達(dá)到植物所需的環(huán)境要求，也不能長(zhǎng)期保持植物所需的生長(zhǎng)環(huán)境。同時(shí)，現(xiàn)有的智能化溫室控制系統(tǒng)不具有遠(yuǎn)程控制功能，也不具有遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的功能，因此，設(shè)計(jì)一種智能化溫室控制系統(tǒng)是很有必要的。通過(guò)對(duì)果蔬生長(zhǎng)環(huán)境變化因素的檢測(cè)，智能化溫室控制系統(tǒng)可以適時(shí)進(jìn)行調(diào)控，使生長(zhǎng)環(huán)境逐步達(dá)到最佳狀態(tài)。

本文設(shè)計(jì)了一種智能化溫室大棚控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)溫室大棚內(nèi)的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等參數(shù)進(jìn)行采集和處理，通過(guò)控制器匯總各種參數(shù)數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)云服務(wù)器，隨時(shí)隨地查看溫室大棚內(nèi)的情況，并控制卷簾和風(fēng)扇。該系統(tǒng)降低了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加了農(nóng)民的收入。

1 智能控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)Arduino Mega2560作為控制核心，其具有檢測(cè)方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)約成本的同時(shí)大幅度提高檢測(cè)效率。該系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)對(duì)大棚的空氣溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[2]，采用獨(dú)特的數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11同時(shí)采集濕度與溫度數(shù)據(jù)，利用LCD1602藍(lán)白顯示屏對(duì)當(dāng)前溫度值與濕度值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。傳感器由電阻式感濕元件和測(cè)溫元件組成，實(shí)時(shí)對(duì)空氣的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)并反饋。該傳感器具有性價(jià)比高、反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

采用響應(yīng)速度快、抗干擾性能優(yōu)越的固體二氧化碳傳感器模塊對(duì)大棚二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)及時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)，并且用LCD1602直觀顯示數(shù)值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)二氧化碳濃度[1]。數(shù)字型集成電路光傳感器BH1750FVI采用兩線式串行總線接口，可以在較大范圍采集環(huán)境的光照強(qiáng)度值，用戶可通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度上下限，用二極管模擬大棚日光燈為植物進(jìn)行光補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)采用土壤檢測(cè)模塊對(duì)土壤濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，并把數(shù)值反饋到系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)設(shè)置的土壤濕度參數(shù)判斷是否增加土壤濕度。此傳感器常插入土壤，用于土壤濕度檢測(cè)，傳感器與土壤緊密接觸，能最大限度減少空氣間隙，以獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器，電路原理如圖1所示。該傳感器由測(cè)溫元件和電阻式測(cè)濕元件構(gòu)成，并且與一個(gè)8位單片機(jī)連接，能夠與單片機(jī)連接，對(duì)本地濕度和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[3]。

本設(shè)計(jì)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器檢測(cè)大棚的土壤溫濕度，它具有抗干擾強(qiáng)、響應(yīng)速度快、校準(zhǔn)度高的特點(diǎn)，因此在大棚中廣泛應(yīng)用。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以有效收集大棚數(shù)據(jù)，通過(guò)輸出已校準(zhǔn)的信號(hào)檢測(cè)大棚空氣溫濕度，采樣周期為3 s左右，為可接范圍，它通過(guò)AD轉(zhuǎn)換獲得空氣溫濕度數(shù)據(jù)，然后將其反饋到系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，系統(tǒng)再?zèng)Q定下一步操作。

2.2 MG811二氧化碳傳感器

MG811二氧化碳傳感器對(duì)CO2有良好的靈敏度和選擇性，作為傳統(tǒng)的二氧化碳傳感器，其受溫濕度的變化影響較小，有良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，其電路圖如圖2所示。氣體通過(guò)氣敏材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生離子，出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，人們可以通過(guò)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)來(lái)檢測(cè)氣體濃度。這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇特性好，非常適合運(yùn)用到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

2.3 BH1750FVI集成電路光傳感器

BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，其工作原理如圖3所示。這種集成電路能夠根據(jù)電路中傳感器所采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)備的光暗強(qiáng)度，使得人的視覺(jué)感官更舒適。由于它的分辨率高，能進(jìn)行大范圍的數(shù)據(jù)檢測(cè)，所以傳感器檢測(cè)結(jié)果比較精準(zhǔn)。

2.4 土壤濕度傳感器

濕度傳感器主要由濕度檢測(cè)電路和聲報(bào)警電路組成。埋在植物根部的土壤水分傳感器可以檢測(cè)土壤的水分，該傳感器利用檢測(cè)電路將檢測(cè)到的濕度參數(shù)電信號(hào)經(jīng)由編碼器傳到主控制器，主控制器決定控制狀態(tài)。主控制器通過(guò)傳輸電信號(hào)系統(tǒng)對(duì)濕度的參數(shù)高低進(jìn)行判別，根據(jù)實(shí)時(shí)濕度條件與標(biāo)準(zhǔn)濕度值控制水源電磁閥的開(kāi)啟或關(guān)閉，達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)控制土壤濕度的目的。此外，當(dāng)空氣濕度傳感器檢測(cè)到空氣濕度較大并反饋到系統(tǒng)時(shí)，主控制器將控制系統(tǒng)停止灌溉。顯示設(shè)備可以呈現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，灌溉時(shí)間可以人為設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出故障警報(bào)。主控制器可以連接到云端設(shè)備，實(shí)時(shí)反饋運(yùn)行情況并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行狀況的同時(shí)可以隨時(shí)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試和測(cè)試

本綜合控制系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言編寫，主程序采用無(wú)限循環(huán)的方式。首先，程序使能各個(gè)模塊最終組合成一個(gè)子程序，主程序分別調(diào)用各個(gè)模塊的子程序函數(shù)，在每一個(gè)子程序執(zhí)行后都進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，分步調(diào)試后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，最后對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)反饋、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理。

該系統(tǒng)在調(diào)試完后將應(yīng)用到溫室大棚里進(jìn)行模擬測(cè)試，通過(guò)傳感器的工作原理推導(dǎo)出數(shù)學(xué)計(jì)算公式，再通過(guò)C語(yǔ)言編程構(gòu)建傳感器的使能程序。系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)信息與人為預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)其與設(shè)定參數(shù)不符，就會(huì)通過(guò)軟件編程反饋到單片機(jī)進(jìn)行模塊操作。模擬測(cè)試流程如圖4所示，程序框圖如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

大棚果蔬種植不僅與植物遺傳特性有關(guān)，還與棚內(nèi)的空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照、土壤溫濕度等因素密不可分。目前，我國(guó)溫室種植果蔬以人工操作為主，屬于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)型管理模式，人工管理的局限十分明顯，果蔬生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控存在人為偏差，難以進(jìn)行大面積管理。智能化溫室控制系統(tǒng)可以全程監(jiān)控影響溫室果蔬生長(zhǎng)的光照、溫度、濕度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，將溫室果蔬生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控至最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫室的經(jīng)濟(jì)效益最大化[5]?，F(xiàn)有溫室大棚控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水肥、二氧化碳、光照的控制，本設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于綜合考慮多個(gè)影響因素，優(yōu)化果蔬生長(zhǎng)環(huán)境，并通過(guò)檢測(cè)控制模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室大棚環(huán)境，實(shí)現(xiàn)果蔬生長(zhǎng)環(huán)境的精準(zhǔn)控制。當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)不斷革新，隨著溫室大棚的推廣和普及，智能化溫室大棚將大大提高果蔬種植效率，最終創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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