淺談智能溫室大棚的系統(tǒng)設(shè)計

王龍忠

（大禹節(jié)水集團股份有限公司，甘肅 酒泉 735000）

科技的發(fā)展會推動和改進人類的生活方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植往往是靠天吃飯，自然環(huán)境的變化對糧食收成的影響很大，且許多農(nóng)作物種植會受到季節(jié)的影響，導致冬季的果蔬價格偏高、種類偏少。溫室大棚可增加種植的頻率，提高了種植者的經(jīng)濟收入，為人們提供了更加豐富的果蔬品種。智能化的溫室大棚，通過軟硬件結(jié)合，可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)相關(guān)參數(shù)的功能。

1 智能溫室大棚的概述

1.1 智能溫室大棚的基本概念

溫室大棚是一種密集型、技術(shù)型的農(nóng)業(yè)種植方式。與傳統(tǒng)的種植相比，溫室大棚的種植受自然環(huán)境的影響程度小，可以通過人工干預的方式創(chuàng)造出更適合農(nóng)作物生長的環(huán)境。通過溫室大棚的種植方式，一方面可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，給種植者帶來更高的經(jīng)濟收入，另一方面可以豐富人們的餐桌，帶來味覺享受。反季節(jié)種植對大棚溫度、環(huán)境濕度等參數(shù)的要求較高，需要設(shè)備輔助為農(nóng)作物提供適宜的生長環(huán)境，智能化的溫室大棚成為了目前主要的研究和設(shè)計對象。

1.2 智能溫室大棚的主要結(jié)構(gòu)

智能化的溫室大棚可以通過機器對溫室大棚中的參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)，主要包括光照強度、二氧化碳濃度、溫度和濕度等對農(nóng)作物生長影響程度較大的參數(shù)。智能化溫室大棚的主要結(jié)構(gòu)包括了基礎(chǔ)設(shè)施、硬件設(shè)備和軟件設(shè)備3個方面。基礎(chǔ)設(shè)施是指農(nóng)作物生長所必須搭建的一些基本裝置，如栽種槽、灌溉管、覆蓋膜和中空板框架等。只有搭建好了這些基本裝置后，才可以安裝智能化調(diào)節(jié)所需要的軟硬件設(shè)備。硬件設(shè)備主要是指傳感器、通風空調(diào)、照明系統(tǒng)、二氧化碳噴嘴、加濕器、加藥施肥等裝置，這些硬件設(shè)備需要借助物聯(lián)網(wǎng)通過軟件進行連接控制，幫助調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)。軟件設(shè)備主要是指種植者對溫室大棚進行調(diào)節(jié)的一套系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)有手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)兩種模式，可以根據(jù)實際情況來進行靈活處理。

2 智能溫室大棚的基本功能

溫室大棚的基本功能主要表現(xiàn)在對農(nóng)作物生長所需要的環(huán)境因素進行智能化調(diào)節(jié)，使農(nóng)作物維持在較為合適的生長狀態(tài)下，對提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)有極大幫助。

2.1 光照強度的調(diào)節(jié)

當傳感器上接收到的光通量偏高時，說明溫室大棚內(nèi)的光照強度過高，可能會導致農(nóng)作物的脫水，需要調(diào)節(jié)室內(nèi)照明設(shè)備的亮度，打開室內(nèi)的遮光簾。光通量較小時，說明溫室大棚內(nèi)的光照強度不足，則需要調(diào)高燈光亮度，降低遮光簾的高度，使室內(nèi)獲得充足的光照。

2.2 二氧化碳濃度的調(diào)節(jié)

二氧化碳濃度是影響植物光合作用重要的因素之一，碳元素的積累會影響農(nóng)作物的品質(zhì)。當傳感器顯示溫室大棚內(nèi)二氧化碳濃度過高時，系統(tǒng)可以開啟排風扇將多余的二氧化碳排除室外。傳感器顯示數(shù)值過低時，二氧化碳噴嘴會自動開啟，及時補充室內(nèi)的二氧化碳含量。

2.3 溫度的調(diào)節(jié)

當溫度傳感器中顯示溫室大棚內(nèi)的溫度過高時，系統(tǒng)自動開啟制冷設(shè)備，避免因溫度過高導致農(nóng)作物的脫水。溫度顯示較低時，可以開啟空調(diào)等加熱設(shè)備，提高室內(nèi)溫度，恢復農(nóng)作物光合作用的活性。

2.4 濕度的調(diào)節(jié)

水分是影響農(nóng)作物的正常生長的重要成分之一，室內(nèi)傳感器中顯示濕度較大時，系統(tǒng)需要開啟排風扇，同時根據(jù)溫度超標的等級對排風扇的轉(zhuǎn)速進行控制，避免植物根系發(fā)生腐爛。傳感器數(shù)值顯示過低時，需要開啟加濕器或灌溉系統(tǒng)，使農(nóng)作物可以充分吸收水分。

3 智能溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計要點

3.1 溫室大棚系統(tǒng)搭建中的硬件設(shè)計

溫室大棚系統(tǒng)搭建中的硬件部分可以分為主控單元、監(jiān)測傳感單元、顯示單元和執(zhí)行控制單元4個部分。

首先，溫室大棚的主控單元一般使用單片機進行操控，常見的C51單片機是一種價格適中、性能穩(wěn)定的單片機系統(tǒng)。C51單片機有32位的接口，可以滿足溫室大棚中對光照、二氧化碳、溫度和濕度4個參數(shù)的控制需求。為了使溫室大棚內(nèi)的硬件設(shè)備在遇到故障時能夠快速恢復到正常工作狀態(tài)，需要在單片機的主控單元中留下一個復位接口，操作者可以通過復位接口重啟系統(tǒng)。晶振電路是單片機中的時鐘信號輸入，晶振的頻率即時鐘的頻率，C51中常用的晶振為1 105.92 Mhz。

其次，溫室大棚系統(tǒng)中最重要的監(jiān)測傳感單元主要是通過采集電路和傳感器對溫室大棚中對光照、二氧化碳、溫度和濕度4個參數(shù)進行采集和傳輸?shù)?。光照強度可以使用光敏電阻進行模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得光照強度的數(shù)值，為了提高數(shù)據(jù)的準確性，需要在溫室大棚中的不同位置安裝采集器。二氧化碳濃度采集電路主要是根據(jù)空氣中傳感器采集到的數(shù)值進行傳輸和調(diào)控的。溫度控制器可以使用熱敏電阻進行采集，可以在電路中安裝一個電容進行保護。室內(nèi)濕度有特殊的濕敏電阻進行采集和調(diào)節(jié)。

第三，C51系統(tǒng)中可以使用液晶顯示或數(shù)碼管顯示，為了提高系統(tǒng)的顯示效率，同時節(jié)約單片的接口，1602液晶顯示能夠更加便捷地對溫室大棚內(nèi)許多參數(shù)進行顯示。1602液晶屏中的點陣可以顯示字母、符號和數(shù)字，比數(shù)碼管的顯示功能更全面。通過接口與系統(tǒng)直接相連，種植者可以直接查詢到溫室大棚內(nèi)的參數(shù)，對需要調(diào)節(jié)的部分進行手動調(diào)整。

第四，能夠突出溫室大棚智能化的系統(tǒng)即控制執(zhí)行單元，主要依靠繼電器使控制模塊與執(zhí)行模塊之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。由于智能系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)與控制，主要依靠繼電器中的微弱電流引起系統(tǒng)中大電流的變化，使系統(tǒng)達到“自動”的狀態(tài)，從直觀角度來看可以開啟或關(guān)閉某些電路。

3.2 溫室大棚系統(tǒng)搭建中的軟件設(shè)計

溫室大棚系統(tǒng)搭建中的軟件系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)處理、參數(shù)控制、數(shù)據(jù)庫等部分組成。

首先，對傳感器采集到的數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送給計算機，計算機的數(shù)據(jù)處理模塊需要對數(shù)據(jù)進行分析和處理，并將相對應(yīng)的處理結(jié)果發(fā)送給下一個執(zhí)行模塊。在數(shù)據(jù)的處理過程中，需要將設(shè)定好的標準數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)進行比較，判斷溫室大棚內(nèi)此時的狀態(tài)。

其次，軟件系統(tǒng)中對溫室大棚中參數(shù)的控制主要是對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果做出相應(yīng)的響應(yīng)，即數(shù)值高于預設(shè)時，系統(tǒng)會下達必要的指令，使控制單元開啟或關(guān)閉某些零件，使溫室大棚內(nèi)的參數(shù)逐漸恢復到正常狀態(tài)。

第三，數(shù)據(jù)庫是對數(shù)據(jù)進行存儲的軟件。在溫室大棚的軟件系統(tǒng)中，需要對數(shù)據(jù)進行更新處理，但舊的數(shù)據(jù)不會被覆蓋，而是由數(shù)據(jù)庫中不同的存儲單元進行保存，方便種植者對歷史數(shù)據(jù)的查驗。

3.3 智能溫室大棚系統(tǒng)的調(diào)試

智能溫室大棚系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計完成后需能測試和調(diào)整才能夠投入使用。一方面，設(shè)計人員可以對各個模塊進行分別測試，當各個模塊的功能實現(xiàn)基本完成后，再將其進行聯(lián)合調(diào)試，驗證數(shù)據(jù)的采集和處理等功能是否完全。另一方面，需要對系統(tǒng)進行必要的初始化和復位等測試。在智能溫室大棚中，需要對工作狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)進行保存，當遇到故障時，簡單的復位不能引起系統(tǒng)的歸零，否則是不成功的設(shè)計，而應(yīng)該在保存原始信息的基礎(chǔ)上，消除不兼容或錯誤操作的情況。

4 結(jié)語

溫室大棚的智能化工作方式能夠帶來極大的便利，對控制和提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)也有很大幫助。光照、二氧化碳濃度、溫度和濕度等是影響農(nóng)作物光合作用的重要影響因素，智能溫室大棚通過對這些信號的采集和傳輸，及時調(diào)節(jié)參數(shù)使其恢復到更適合農(nóng)作物生長的數(shù)值。智能化溫室大棚已經(jīng)取得了一定的實際應(yīng)用價值，系統(tǒng)整體表現(xiàn)穩(wěn)定，信號傳輸準確，是未來種植業(yè)的一大新發(fā)展方向和趨勢。