花卉溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

莫莉莉

（廣西欽州農(nóng)業(yè)學(xué)校，廣西欽州 530099）

在植物種植過程中，其生長(zhǎng)、發(fā)育與所處的環(huán)境密切相關(guān)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，最重要的就是通過調(diào)整植物所處環(huán)境的溫度、濕度，來改變植物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，以獲得更多的收益。溫室大棚作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要支柱，也在逐步朝著智能化的方向邁進(jìn)。在種植花卉的溫室大棚中采用智能控制系統(tǒng)，能夠嚴(yán)格控制溫室內(nèi)的環(huán)境條件，根據(jù)需求改變花卉的生長(zhǎng)規(guī)律，為花卉打造最為適宜的環(huán)境，促使花卉良好生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益。

1 花卉溫室大棚智能控制系統(tǒng)概述

溫室是用來培植觀賞植物不可或缺的重要設(shè)施，花卉的品種不同，對(duì)環(huán)境溫度、濕度、光照時(shí)間及通風(fēng)程度的要求都各不相同?；ɑ軠厥掖笈锞褪菫槠涮峁┮粋€(gè)更適合生長(zhǎng)的、能夠滿足其各方面條件的密閉型環(huán)境，來改變花卉的花期［1］。為了進(jìn)一步提高溫室大棚的作用和智能化程度，近年來，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開始應(yīng)用于溫室的智能控制。智能化的溫室大棚控制系統(tǒng)可以通過對(duì)花卉生長(zhǎng)需求信息的提前錄入，對(duì)溫室大棚隨時(shí)進(jìn)行自動(dòng)加熱或降溫、增濕及通風(fēng)工作。這種可以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)情況隨時(shí)對(duì)溫室大棚內(nèi)條件進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的溫室智能控制系統(tǒng)，是高級(jí)技術(shù)應(yīng)用于植物栽培行業(yè)的體現(xiàn)。

溫室智能控制系統(tǒng)結(jié)合了計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微電子技術(shù)，利用各種類型的傳感器對(duì)溫室中各種不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，并作出預(yù)警。溫室的智能控制技術(shù)主要依靠溫濕度傳感器來感知溫室大棚內(nèi)溫度以及濕度的變化，當(dāng)大棚內(nèi)的溫濕度超出預(yù)定范圍時(shí)會(huì)向控制終端發(fā)出信號(hào)，再利用單片機(jī)的傳導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

2 花卉溫室大棚控制系統(tǒng)發(fā)展概況

溫室大棚是一種可以保護(hù)植物在生長(zhǎng)過程中不受季節(jié)變化和惡劣氣候影響的封閉性場(chǎng)所，為了保證透光性，由便于采光的覆蓋材料為主要結(jié)構(gòu)，可使得植物在低溫環(huán)境下健康生長(zhǎng)或者是不適合露天栽培的植物順利生長(zhǎng)。在花卉種植過程中采用溫室大棚的最終目標(biāo)是調(diào)節(jié)花卉的開放時(shí)間，而溫室智能控制系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)環(huán)境的控制。溫室控制系統(tǒng)大致經(jīng)歷了3 個(gè)發(fā)展階段。

2.1 手動(dòng)控制階段

在溫室技術(shù)發(fā)展的最初階段，并沒有完全意義上的控制系統(tǒng)，主要依靠有經(jīng)驗(yàn)的種植者對(duì)溫室的溫濕度和植物的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行觀察分析，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的改變。在這一過程中，種植者是溫室環(huán)境系統(tǒng)的核心。富有經(jīng)驗(yàn)的種植者對(duì)于植物生長(zhǎng)狀況的判斷是最直接有效的，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本方式。但是在大規(guī)模種植的背景下，手動(dòng)控制的勞動(dòng)生產(chǎn)率明顯無法適應(yīng)農(nóng)場(chǎng)化的種植需求，而且高素質(zhì)的種植者數(shù)量較少，無法滿足當(dāng)前的社會(huì)需求［2］。

2.2 自動(dòng)控制階段

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)逐漸開始應(yīng)用在溫室大棚控制系統(tǒng)中。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提前錄入在溫室內(nèi)種植的植物生長(zhǎng)所需要的溫度、濕度數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器測(cè)量的溫室內(nèi)的溫度及濕度與預(yù)先設(shè)定好的范圍進(jìn)行對(duì)比，決定是否需要對(duì)相應(yīng)的構(gòu)件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)加熱、降溫或是通風(fēng)、增濕的目的。利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的控制，標(biāo)志著溫室控制技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，監(jiān)控過程不再依靠人力，提高了勞動(dòng)效率，適宜在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下展開應(yīng)用。但是這種自動(dòng)化的溫室控制系統(tǒng)依靠的是事先記錄在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的具體數(shù)據(jù)，無法根據(jù)植物的實(shí)際生長(zhǎng)狀況及時(shí)調(diào)整環(huán)境條件，無法進(jìn)一步通過分析植物的生長(zhǎng)規(guī)律來實(shí)現(xiàn)內(nèi)在生長(zhǎng)調(diào)節(jié)。

2.3 智能化控制階段

通過長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域內(nèi)各類知識(shí)、技術(shù)和不同生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析整理，建立了植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫，并以此為依據(jù)，研發(fā)出了一套適用于不同植物生長(zhǎng)的溫室智能控制系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)常見的大棚溫室智能控制系統(tǒng)都是采用工控機(jī)控制或者是采用可編程控制器（PLC）來實(shí)現(xiàn)，但這種系統(tǒng)價(jià)格較高，無法在溫室大棚使用戶中進(jìn)行大規(guī)模推廣。一套具有推廣價(jià)值的智能控制系統(tǒng)，要充分考慮到用戶的經(jīng)濟(jì)能力，在盡可能控制成本的情況下實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高［3］。

3 花卉溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

為了提高花卉溫室大棚控制系統(tǒng)的智能化程度，提高生產(chǎn)效率，當(dāng)務(wù)之急是設(shè)計(jì)一套既能滿足用戶需求，又能節(jié)約成本的溫室大棚智能控制系統(tǒng)。針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了利用STC89C58RD 與單片機(jī)打造的低成本高效率溫室大棚智能化控制系統(tǒng)。

3.1 方案設(shè)計(jì)

花卉的生長(zhǎng)需要特定的環(huán)境，只有濕度、溫度和光照時(shí)間都能夠滿足花卉的生長(zhǎng)需求，才能保障花卉健康生長(zhǎng)并開放。在自然環(huán)境中，晝夜更替和四季變換都對(duì)花卉的生長(zhǎng)極為不利，無法為花卉生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的環(huán)境。當(dāng)前的溫室大棚控制系統(tǒng)中的遮陽系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)、采光系統(tǒng)及增濕系統(tǒng)等，都可以為花卉的生長(zhǎng)提供有力支持。如何科學(xué)合理地把這些相關(guān)設(shè)備進(jìn)行配套運(yùn)作，需要完善的軟硬件系統(tǒng)。本方案就是嘗試用一般的電子元件來打造一套價(jià)格相對(duì)較低，但精度高且方便操作的花卉溫室大棚智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫濕度、光照度等數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷測(cè)量，并隨時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，隨之進(jìn)行調(diào)整，主要的控制器除了可以進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量分析外，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。在使用過程中，借助溫室大棚內(nèi)已經(jīng)安裝的各類傳感器對(duì)棚內(nèi)的各類環(huán)境因素進(jìn)行檢測(cè)，隨后傳輸回主控制器的中央處理中，與系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定的各類數(shù)值進(jìn)行比較，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的判斷之后迅速作出反應(yīng)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，隨后再將中央處理器處理過的結(jié)果反饋至終端控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境因素的調(diào)節(jié)［4］。

3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)備構(gòu)成

整個(gè)溫室大棚的智能控制系統(tǒng)使用了模塊化的設(shè)計(jì)，硬件設(shè)備包括各類環(huán)境數(shù)據(jù)采集所需要的傳感器、單片機(jī)和控制裝置。傳感器將采集到的具體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)讀取之后經(jīng)過對(duì)比分析，把要執(zhí)行的措施命令傳達(dá)到終端控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)。

3.3 溫室大棚內(nèi)設(shè)備的構(gòu)成

除去核心的中央處理器以外，溫室內(nèi)還需要有各類設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最重要的就是傳感器。傳感器負(fù)責(zé)對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行采集和傳遞，沒有這些終端設(shè)備，就無法繼續(xù)下一步工作。一套完整的溫室大棚智能控制系統(tǒng)中有多個(gè)傳感器，最基本的溫度傳感器用來探測(cè)棚內(nèi)溫度；濕度傳感器可以調(diào)節(jié)控制濕度，濕度如果能夠科學(xué)合理控制，就能大幅降低各類疫病的發(fā)生；光照傳感器能夠感受不同時(shí)段大棚內(nèi)的透光情況；土壤水分傳感器可以檢測(cè)土壤某一時(shí)段內(nèi)的含水量。除此之外，還有二氧化碳傳感器，可是隨時(shí)對(duì)棚內(nèi)空氣的含氧量進(jìn)行反饋。

3.4 溫室大棚的軟件系統(tǒng)

溫室大棚的軟件系統(tǒng)由單片機(jī)的程序系統(tǒng)和微機(jī)的程序系統(tǒng)組成。單片機(jī)的功能由三大模塊實(shí)現(xiàn)：采集模塊、控制模塊、通訊模塊。采集模塊主要是對(duì)各傳感器傳回的溫室大棚內(nèi)的各類參數(shù)信號(hào)進(jìn)行采集，然后經(jīng)輸入端送回單片機(jī)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后送到89C58 進(jìn)行下一步分析處理。控制模塊的控制范圍比較廣，包括溫度控制、濕度控制、光照控制和土壤濕度控制4 部分，根據(jù)不同的控制指令來完成各項(xiàng)操作［5］。通訊模塊則是把實(shí)時(shí)采集的參量上傳到上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)傳回的信號(hào)，主要作用是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)的通訊，便于用戶管理。微機(jī)的軟件功能由4 部分組成：動(dòng)態(tài)顯示模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和通信模塊，工作原理與單片機(jī)類似。

4 結(jié)語

我國(guó)花卉栽培面積較大，隨著日光溫室生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展，北方地區(qū)甚至是東北地區(qū)的溫室大棚應(yīng)用越來越廣。為了實(shí)現(xiàn)資源集約型的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，溫室大棚的智能控制系統(tǒng)不斷變革，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室大棚智能控制系統(tǒng)也將不斷創(chuàng)新，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟(jì)效益。