溫室環(huán)境監(jiān)測控制器的開發(fā)和設(shè)計(jì)

張兆朋

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安生物工程分院，江蘇 淮安 223200）

1 溫室監(jiān)測控制系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前有些補(bǔ)光燈是定時(shí)補(bǔ)，有些可以實(shí)現(xiàn)在光照不足時(shí)進(jìn)行補(bǔ)光，但不能實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)補(bǔ)光，更不方便和溫室已有設(shè)施直接連接。開發(fā)溫室環(huán)境監(jiān)測控制產(chǎn)品，如圖1 所示，在設(shè)定的時(shí)間光照強(qiáng)度低于植物補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，插座通電，光照強(qiáng)度達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí)，插座斷電，用戶根據(jù)需求，可以將插座連接不同的補(bǔ)光燈，通過光控插座控制補(bǔ)光燈的亮滅，操作方便，通用性強(qiáng)。土壤濕度控制可以手動(dòng)也可以自動(dòng)澆水，當(dāng)土壤干燥時(shí)，紅LED 發(fā)光，提醒澆水，濕度適宜時(shí)，綠LED 發(fā)光，可以澆水也可以不澆水，含水量達(dá)到上限時(shí)，藍(lán)LED 亮，提醒停止?jié)菜?，?dāng)溫室無人時(shí)，提前把電磁閥插頭連接到濕控插座，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水；同時(shí)利用溫濕度傳感器監(jiān)測溫室內(nèi)的空氣溫度和濕度，并顯示在液晶屏上，溫度過低或過高，啟動(dòng)蜂鳴器發(fā)出響聲，方便管理人員采取措施。

圖1 溫室環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)

2 溫室監(jiān)測控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

如圖2 所示，溫室監(jiān)測控制系統(tǒng)包括單片機(jī)、濕控插座、光控定時(shí)插座、繼電器、LED 顯示、液晶屏顯示、執(zhí)行器和各種傳感器，傳感器包括土壤濕度傳感器、光照傳感器、空氣溫濕度和超聲波傳感器，傳感器檢測到的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)根據(jù)檢測到的信息，控制不同顏色LED 發(fā)光、繼電器觸點(diǎn)通斷、液晶屏顯示，并通過繼電器控制光控插座和濕控插座的通電與斷電，通過電腦可以實(shí)時(shí)查看溫室的環(huán)境。

圖2 溫室環(huán)境監(jiān)測控制電路圖

2.1 土壤濕度檢測控制

植物育苗期是植物比較脆弱的一個(gè)階段，若依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行噴灌，易造成育苗失敗[1]。如圖2 所示，土壤濕度傳感器引腳AO 連接到單片機(jī)引腳A0，紅LED、綠LED、藍(lán)LED 的陽極分別連接單片機(jī)的11、10、9 三個(gè)引腳，三個(gè)LED 的陰極接地，單片機(jī)引腳1 連接繼電器，電源插頭火線連接到繼電器常開觸點(diǎn)的一端，濕控插座的火線連接到繼電器常開觸點(diǎn)的另外一端，插頭的零線直接連接到濕控插座的零線，土壤傳感器的探頭插到土壤中，利用傳感器探頭感受土壤濕度。土壤濕度傳感器利用時(shí)域反射法測量含水量，該方法測量土壤含水量具有很高的精確度[2]。當(dāng)含水量不足時(shí)，單片機(jī)引腳1 輸出高電平控制繼電器常開觸點(diǎn)閉合，從而濕控插座通電，滴灌設(shè)備直接連接到濕控插座，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。采用滴灌取代傳統(tǒng)的溝灌和漫灌，減少了作物蒸騰[3]。

2.2 空氣溫濕度監(jiān)測

以辣椒為例，辣椒苗期要求較高的溫度，白天25～30 ℃、夜晚15～18 ℃最為有利，適宜的晝夜溫差是6～10 ℃[4]。辣椒對水分要求嚴(yán)格，辣椒喜土壤適度濕潤而空氣較干燥的環(huán)境，土壤相對含水量80%左右，空氣相對濕度60%～80%時(shí)，對辣椒的生長有利[4]。利用溫濕度傳感器檢測溫室內(nèi)空氣的溫度和濕度，溫濕度傳感器選用的是SHT11，把檢測到的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)芯片，溫度過低或者過高時(shí)蜂鳴器發(fā)出響聲，提醒管理人員進(jìn)行加熱或者降溫，同時(shí)把溫濕度顯示在液晶屏上。SHT11 是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，SHT11 濕度的分辨率可以達(dá)到1%RH；溫度測量的分辨率可達(dá)到1 ℃，傳輸距離可達(dá)到20 m[5]。

2.3 光照強(qiáng)度檢測控制

茄果類幼苗光照強(qiáng)度適合在4 000～25 000 lx[6]，辣椒屬于茄果類，在設(shè)定的時(shí)間，光照強(qiáng)度低于植物補(bǔ)償點(diǎn)4 000 lx 時(shí)，插座通電；光照強(qiáng)度達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí)，插座斷電；用戶根據(jù)需求，可以將插座連接不同的補(bǔ)光燈，操作方便，通用性強(qiáng)，光照傳感器連接到單片機(jī)引腳A2。當(dāng)光照傳感器檢測到的光照強(qiáng)度小于4 000 lx 時(shí)，單片機(jī)引腳輸出高電平，繼電器線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，插座通電，溫室已有的補(bǔ)光設(shè)備可以直接連接插座，補(bǔ)光燈亮，對植物進(jìn)行補(bǔ)光，為了節(jié)省電能，通過程序設(shè)定，當(dāng)光照達(dá)到6 000 lx時(shí)，單片機(jī)引腳輸出為低電平，線圈斷電，常開觸點(diǎn)斷開，停止補(bǔ)光；傳感器檢測光照強(qiáng)度大于4 000 lx時(shí)，單片機(jī)引腳輸出低電平，繼電器線圈無電，常開觸點(diǎn)保持?jǐn)嚅_，插座不通電，不進(jìn)行補(bǔ)光，實(shí)現(xiàn)定時(shí)與光控補(bǔ)光相結(jié)合，既達(dá)到增產(chǎn)增收的目的，又節(jié)約了電能，節(jié)省了成本。

2.4 超聲波檢測控制電機(jī)

補(bǔ)光燈到植物的距離對光照強(qiáng)度影響很大，補(bǔ)光燈離植物較遠(yuǎn)時(shí)，光照效果不好，補(bǔ)光時(shí)需要保持合適的距離，超聲波傳感器檢測補(bǔ)光燈與植物的距離，通過電機(jī)帶動(dòng)補(bǔ)光燈，使得補(bǔ)光燈的高度隨著植物的高度而變化。

如圖2 所示，超聲波傳感器引腳連接到單片機(jī)引腳A4、A5，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片連接到單片機(jī)5、6、7、8 引腳。利用超聲波檢測植物距離補(bǔ)光燈距離，并根據(jù)實(shí)際進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)超聲波傳感器檢測到植物長高時(shí)，信號(hào)傳到單片機(jī)，單片機(jī)控制綠LED亮，電機(jī)正轉(zhuǎn)，補(bǔ)光燈上升；當(dāng)達(dá)到設(shè)定距離時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保證辣椒幼苗期生長所需要的光照強(qiáng)度。選用的超聲波傳感器為HC-SR04，該傳感器可以檢測2～400 cm，測量角度小于15°，通過編程，先給單片機(jī)一個(gè)10 μs 的低電平，再給一個(gè)10 μs 的高電平，然后再給低電平，這時(shí)超聲波啟用測距功能，回聲端變?yōu)楦唠娖?，等接收到返回的信?hào)，變?yōu)榈碗娖?，回聲端高電平的時(shí)間就是聲音來回的時(shí)間，根據(jù)s=t/59，可以計(jì)算出植物和補(bǔ)光燈的距離。當(dāng)距離超過設(shè)定距離時(shí)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)工作。通過Serial.begin(9600)進(jìn)行電腦界面設(shè)置，把測量距離顯示在電腦界面。

2023 年5 月26 日，利用不同補(bǔ)光燈補(bǔ)光，根據(jù)監(jiān)測數(shù)值，手機(jī)貼近光照傳感器照射光照強(qiáng)度不足2 000 lx；利用補(bǔ)光燈照射，很近距離光照強(qiáng)度達(dá)到50 000 lx，較近距離達(dá)到17 000 lx，稍遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離只有4 000 lx 左右，再遠(yuǎn)點(diǎn)只有1 000 lx 左右，距離太近，溫度也會(huì)升高，所以要綜合考慮溫度和光照還要考慮補(bǔ)光燈輻射的范圍，滿足光照需求又達(dá)到節(jié)能目的。

2023 年5 月27 日，補(bǔ)光燈距離固定監(jiān)測光照強(qiáng)度，距離固定后，光照強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。2023 年5 月29 日是陰雨天氣，沒有開啟補(bǔ)光燈時(shí)的光照強(qiáng)度與開啟補(bǔ)光燈但距離不同時(shí)光照強(qiáng)度對比，可以看出，沒有啟用補(bǔ)光燈時(shí)，光照強(qiáng)度太低；啟用補(bǔ)光燈后，補(bǔ)光燈距離植物的距離不同則光照強(qiáng)度不同，甚至相差很大。

所以用超聲波傳感器檢測補(bǔ)光燈與植物的距離，并用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制兩者之間的距離，電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)植物長高時(shí)，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)補(bǔ)光燈位置相應(yīng)增高，使得補(bǔ)光燈和植物保持合適的距離。

3 結(jié) 語

該產(chǎn)品可以用于辣椒育苗、種植，草莓、火龍果、番茄的種植等，設(shè)備生產(chǎn)成本較低，易于安裝，操作方便、實(shí)用性強(qiáng)；無需擔(dān)心植物缺水枯萎或光照不足引起植物生長不良和減產(chǎn)；提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省成本，節(jié)約電能；可以用于家庭種菜也可以用于溫室育苗。解決了植物補(bǔ)光不能實(shí)現(xiàn)光控和定時(shí)補(bǔ)光相結(jié)合，沒法使補(bǔ)光燈和植物保持恒定距離的問題，開發(fā)的產(chǎn)品是直接控制插座是否通電，不需要生產(chǎn)補(bǔ)光和澆水設(shè)備，只生產(chǎn)控制設(shè)備的產(chǎn)品，用戶購買后直接連接到已有的設(shè)備即可，產(chǎn)品生產(chǎn)成本大大降低，市場前景廣闊。系統(tǒng)可以提升育苗的品質(zhì)、提高成活率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率減少植物對自然的依賴。