溫室大棚自動溫濕度光強檢測及紫外光殺蟲混合裝置設(shè)計

劉鑫彤 張 勇＊ 曹佩洪

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

1 概述

隨著綠色農(nóng)業(yè)、科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展，我國傳統(tǒng)的溫室大棚也不斷地處于改進之中。傳統(tǒng)的溫室大棚采用藥物滅蟲，果蔬有部分藥物遺留，對人體不利。另外大棚的溫度濕度也對蔬菜的生長起著至關(guān)重要作用，也需要智能化調(diào)控。本文設(shè)計一種智能化大棚溫濕度檢測裝置及紫外線殺蟲裝置，讓農(nóng)村大棚管理變得簡單化和智能化，而且避免傳統(tǒng)農(nóng)藥殺蟲的危害。

2 自動溫濕度光照檢測設(shè)計與制作原理

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計

大棚內(nèi)溫度濕度檢驗測試裝置應(yīng)用AVR 單片機作主控制器，應(yīng)用模塊化處理。模塊化中有射頻模塊nRF24L01，數(shù)字顯示屏LCD 和單片機ATmega8 以及溫濕度傳感器（SHT10）和光強傳感器（BH1705）共同組成[1]。傳感器對所需數(shù)據(jù)檢測，并把檢測數(shù)據(jù)傳送到主控制器即AVR 單片機中進行處理，并在顯示屏上顯示，是人工對數(shù)據(jù)分析調(diào)整。系統(tǒng)傳感器檢測模塊原理如圖1 所示[2]。集成模塊（SHT10）的1、4 管腳接芯片的外部電源為芯片內(nèi)部供電。2 管腳DAT 與AVR 單片機PD4 連接實現(xiàn)溫濕度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與主控制器數(shù)據(jù)實時傳輸，傳感器3 管腳SCLK 是單片機PD3 通信的同步時鐘信號，實現(xiàn)空氣溫濕度參數(shù)的實時采集[3]。光強度傳感器BHT1750 模塊的1、4 管腳接芯片的外部電源為芯片內(nèi)部供電。模塊SCL 和SDA 管腳把外部監(jiān)測得到光強的信號傳給AVR 單片機的PD6 和PD7 管腳，實現(xiàn)光強度的實時檢測[4]。AVR 單片機通過連接nRF24L0 的28 管腳為選擇模式開關(guān)、PC4 管腳為時鐘配置、PC3 管腳數(shù)據(jù)從PC4 在輸出、7 管腳數(shù)據(jù)從PC3 管輸入、5 管腳時鐘（片選）信號、8 管腳遮蔽，實現(xiàn)溫室溫濕度、光強度等環(huán)境參數(shù)的無線傳輸。

圖1 傳感器檢測模塊原理圖

2.2 溫濕度及光強檢測程序設(shè)計

兩個集成模塊（SHT10、BHT1750）實現(xiàn)對空氣的溫濕度檢測和光照強度的檢測并通過nRF24L01 模塊實時把檢測數(shù)據(jù)傳送給AVR 單片機模塊，這時我們把AVR 單片機模塊的溫濕度光照強度設(shè)定值相比較并控制風(fēng)機或噴霧電磁閥的開關(guān)以及遮陽控制裝置，進而使空氣溫濕度及光照強度滿足控制要求。控制的流程：當(dāng)溫濕度檢測和光照強度裝置打開并完成程序初始化檢測后，通過溫濕度傳感器采集檢測環(huán)境溫度濕度的數(shù)值，并把檢測的數(shù)值通過集成模塊（nRF24L01）傳輸給主控制器的溫濕度及光強存儲器，并把它與主控器的給定值進行數(shù)值比較處理，判定是否開啟加濕裝置、加熱器裝置以及遮光裝置從而節(jié)溫室大鵬內(nèi)溫濕度和光照強度，同時判別現(xiàn)在所處溫度、溫濕度及光強如果超過設(shè)定數(shù)值的一項或超過多項，安裝的報警裝置報警。在極端環(huán)境下實現(xiàn)人工干預(yù)。主控制器（AVR）和集成模塊（nRF24L01）共同作用實現(xiàn)溫度、濕度及光強度等系統(tǒng)設(shè)定值相比較，使加熱、加濕、遮陽等自動開啟和關(guān)閉，能夠在一定程度上滿足大棚蔬菜在對生長環(huán)境的外部要求[2]。

3 紫外光自動殺蟲裝置控制系統(tǒng)

3.1 紫外光殺蟲燈原理

紫外光自動殺蟲燈是利用太陽能電池板提供的電源作為用電來源，晚上放電給紫外殺蟲燈具，供其工作。殺蟲燈具是利用紫外光對昆蟲具有殺傷作用而殺蟲的，紫外燈也叫黑光燈，多種害蟲對長波紫外光敏感，在一定范圍的波長內(nèi)對昆蟲有誘導(dǎo)作用，即引誘害蟲撲向燈的光源，達到滅殺害蟲的目的?？梢哉T殺地下害蟲、雜糧類害蟲、蔬菜類害蟲、果樹害蟲、森林害蟲、草原害蟲等。

3.2 紫外光殺蟲燈控制系統(tǒng)

本文針對農(nóng)業(yè)無污染殺蟲和溫室大棚的環(huán)境監(jiān)控需要實時性、不間斷行性、周期性的特點，提出了一種基于WSN 的紫外光殺蟲燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee 與GPRS 相結(jié)合的遠程無線傳輸方式，將ZigBee 局域網(wǎng)內(nèi)的殺蟲燈狀態(tài)和采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過GPRS 無線模塊采取TCP/IP 方式傳輸?shù)胶笈_信息中心[5]。紫外光殺蟲燈控制系統(tǒng)主要由主控制器核心模塊、蓄電池充放電控制模塊、負載輸出模塊、充放電保護電路、負載保護電路等組成。紫外光殺蟲燈控制系統(tǒng)如圖2[6]，其逆變電路主要脈沖振蕩（NE555 模塊）電路、達林頓管電路、升壓電路等組成。脈沖振蕩電路發(fā)出的脈沖信號為方波。3 管腳輸出全脈沖信號至達號林頓管（VT1、VT2），使得VT1 與VT2 處于工作狀態(tài)。高頻變壓器與VT2 集電極相接，12V 電壓在高頻變壓器原副線圈及電磁場轉(zhuǎn)換中升到21kV。預(yù)設(shè)20000 赫茲輸出時間與總時間的比值為脈沖的50%。R4，C7 的取值圖中按圖中所示。實驗可知，脈沖振蕩（NE555）輸出的脈沖信號在示波器上顯示為正脈沖，沒有負脈沖，使得輸出的高壓低于百分之五十。改進方法在脈沖振蕩（NE555）3 管腳串聯(lián)10μF 電容解決了沒有負脈沖問題，全脈沖信號給升壓變壓器，最終由橋式二極管整流和升壓電路將2kV 電壓升到20kV。高壓電網(wǎng)電弧殺蟲快速無污染，實現(xiàn)綠色殺蟲的目的。靈活調(diào)整殺蟲燈的開啟時間，同時也可以改變紫外光的變化，達到定向殺蟲的目的，減少對有益昆蟲的殺害，使其變得更靈活、更高效。

圖2 紫外光殺蟲燈控制電路圖

4 溫室大棚檢測裝置主體設(shè)計

4.1 溫室大棚檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

常見的溫室大棚設(shè)計比較簡單，溫濕度檢測常常用溫濕度計或直接用溫度計加觀測經(jīng)驗檢測濕度和光照強度。沒有遮光設(shè)計，中午前后使得溫室大棚溫度驟生，對蔬菜水果傷害較大。有些比較先進自動化溫室大棚傳感器安裝在不可動的地方，檢測的數(shù)值不準(zhǔn)確，很難達到理想的調(diào)節(jié)環(huán)境舒適度，利于蔬菜水果的目的本文設(shè)計一個可的升降裝置把其安裝在大棚的最高處即棚頂龍骨上，把溫濕度傳感器根據(jù)需求調(diào)節(jié)高度，溫濕度傳感器要放在保護護裝置中，設(shè)計為百葉窗裝置，空氣流通順暢，同時在百葉窗防護裝置上設(shè)置太陽能遮光傘既能遮光還能發(fā)電[7]。光強傳感器則放在遮陽裝置外，能更準(zhǔn)確地檢測光照強度。

溫室大棚傳感器放在能自動升降可調(diào)節(jié)的木箱中，木箱外安裝電機，滑輪升降滑道，滑輪、升降桿，升降鋼絲，木箱側(cè)面安裝有百葉窗，頂端裝有太陽能遮光傘。（1）自動升降系統(tǒng)：包括升降木箱及木箱外安的裝電機，滑輪升降滑道，滑輪、升降桿，升降鋼絲，木箱側(cè)面安裝有百葉窗，頂端裝有太陽能遮光傘。升降木箱頂部通過掛鉤懸掛在棚頂鋼骨架上固定住；升降木箱底部固定可轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動的軸承，軸承上安裝滑輪，滑輪安裝在滑道上，可上下滑動，升價鋼絲和升降桿連接，升降桿在木箱側(cè)面，防止木箱升降時偏離豎直位置，升降鋼絲和滑輪使木箱上下升降。（2）檢測系統(tǒng)：包括木箱和溫濕度傳感器、光強傳感器。木箱頂部有遮光傘，遮光傘頂部有吊環(huán)和升降鋼絲栓接；遮光傘上表面裝有太陽能電池板，即能發(fā)電又能防止陽光直射保護箱；保護箱側(cè)壁設(shè)有若干百葉窗葉片，方便保護箱內(nèi)空氣通暢；溫濕度傳感器固定在防保護箱中間，光強傳感器太陽能電池板外部。通過木箱升降和檢測系統(tǒng)的自動檢測，把得到的數(shù)據(jù)傳給主控制器，隨時關(guān)閉打開加熱、遮陽、加濕裝置等調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，把最適宜蔬菜水果生長的環(huán)境調(diào)節(jié)好。

4.2 溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計

溫室大棚控制系統(tǒng)包括：感知端、信號傳輸端、人工控制端、和網(wǎng)絡(luò)端。感知端的傳感器分布在大棚內(nèi)的不同位置，檢測溫室大棚內(nèi)的溫濕度和光照強度。采集的數(shù)據(jù)后傳給主控制器。人工控制端信號傳輸和可視端組成：在大棚內(nèi)通過多個傳感器和控制端可視端自行組織建網(wǎng)；傳輸方式為無線傳輸。自行建網(wǎng)的優(yōu)勢可以實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實時采集，通過主控制器進行交互處理。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式與監(jiān)控中心連接。根據(jù)大棚內(nèi)溫度、濕度、光強、蟲害情況等通過傳感器得到的參數(shù)，對各種設(shè)備裝置進行控制，包括打開加熱器、排風(fēng)扇、打開加濕器、紫外光燈自動殺蟲裝置等。網(wǎng)絡(luò)端，通過人工設(shè)置程序建立長期數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中可以隨意提取數(shù)據(jù)，建立線圖分析，利用大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)更好和更完善的處理分析結(jié)果。得到該地區(qū)蔬菜水果適宜高產(chǎn)的生長環(huán)境情況[8]。

5 結(jié)論

5.1 本系統(tǒng)將可視化與監(jiān)控裝置有機結(jié)合,使得可視化監(jiān)控管理得以真正實現(xiàn)。構(gòu)建了一種新型的溫室大棚生產(chǎn)體系，發(fā)展了科技農(nóng)業(yè)綠色農(nóng)業(yè)。利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對于溫室大棚的需求設(shè)計出智能檢測裝置，以最大程度地滿足不同地區(qū)對溫室大棚的需求。

5.2 利用傳感器對大棚內(nèi)部的溫度、濕度、光照強度、蟲害情況進行檢測，并把檢測數(shù)據(jù)通過無線傳輸給主控制器，人工控制端和網(wǎng)絡(luò)端對得到的結(jié)果進行分析。再通過設(shè)定的程序傳輸給主控制器和大數(shù)據(jù)儲存分析端，計算機自動打開和關(guān)閉加熱、加濕、遮陽、殺蟲等裝置，進行大棚溫室環(huán)境調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對大棚遠程自動控制。這也更好的體現(xiàn)我國發(fā)展科技農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)的趨勢。