基于Arduino的智慧農業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

江美枝

摘 要：【目的】為了提高農作物產量、生產效益及生產效率，同時實現大棚農業(yè)的自動化、智能化管理，以Arduino控制主板為核心，設計出智慧農業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。【方法】該系統(tǒng)通過溫度傳感器、光照檢測傳感器、土壤濕度傳感器來采集大棚內的相關數據，并將采集到的數據上傳到Arduino主芯片，通過對數據進行對比，實現自動化控制，調整大棚內的各項環(huán)境參數，使農作物達到生長最佳狀態(tài)?！窘Y果】當檢測到溫度不佳時，自動開啟溫度控制系統(tǒng)，進行散熱或加熱，調整大棚內溫度，使大棚內的溫度達到理想狀態(tài)；當檢測到光線不利于農作物生長時，自動開啟光電控制系統(tǒng)來調整光照強度；當檢測到土壤濕度不利于植物生長時，自動啟動灌溉系統(tǒng)，直到土壤濕度達標才自動停止灌溉?！窘Y論】經過試驗測試，該系統(tǒng)對檢測到的數據能快速處理，且控制模塊的靈敏度高。智慧農業(yè)大棚可實現自動化、智能化管理，更符合現代農業(yè)大棚種植需求。

關鍵詞：Arduino；傳感器；自動控制

中圖分類號：TP212；TP277? ? 文獻標志碼：A? ?文章編號：1003-5168（2024）03-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.003

Design of Intelligent Agricultural Greenhouse Environment Detection System Based on Arduino

JIANG Meizhi

（Wuchang Polytechnic College， Wuhan 430200，China）

Abstract：[Purposes] In order to improve the production yield， benefit， and efficiency of crops， and to achieve automated and intelligent management of greenhouse agriculture， an intelligent agricultural greenhouse environment detection system is designed with Arduino control motherboard as the core.? [Methods] The system detects relevant data in the greenhouse environment through temperature sensors， light detection sensors， and soil humidity sensors， and sends the detected data to the Arduino main chip. By means of data comparison， automatic control is made to ensure that all environmental parameters in the greenhouse reach the optimal state of crop growth. [Findings] When poor temperature is detected， the temperature control system is automatically turned on to dissipate heat or heat， and the temperature inside the greenhouse is adjusted to reach the ideal state; when detecting that light is not conducive to crop growth， the system automatically turns on the photoelectric control system to adjust the light intensity; when it is detected that soil moisture is not conducive to plant growth， the irrigation system will automatically start until the soil moisture meets the standard， and irrigation can be automatically stopped.? [Conclusions] After experimental testing， the data detected in the system can be processed quickly， and the control module has high sensitivity. The intelligent greenhouse environment can achieve automated and intelligent management， which is more in line with the needs of modern agricultural greenhouse planting.

Keywords： Arduino; sensor; automatic control

0 引言

隨著科技進步和社會發(fā)展，我國大棚農業(yè)發(fā)展迅速。相較于傳統(tǒng)的控制方式，智慧系統(tǒng)控制的最大優(yōu)點為能自動檢測大棚內的環(huán)境情況，當檢測到環(huán)境數據不佳時，將自動啟動相應的控制系統(tǒng)，確保大棚內的運行環(huán)境穩(wěn)定，從而保證農作物適宜的生長條件，避免因人為因素造成不必要的損失，更能大大降低勞動成本。本研究設計的智慧農業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以Arduino為核心［1-2］，可對農業(yè)大棚內的溫度、光照、土壤濕度等數據進行采集，并根據實際采集到的數據對相關裝置進行自動化控制。

1 總體設計

本研究設計的系統(tǒng)以Arduino控制板為核心，結合溫度傳感器、光照檢測傳感器、土壤濕度傳感器，從經濟適用性、智能化、自動化等方面考量進行設計，實現了對智慧農業(yè)大棚環(huán)境的智能控制模擬。當檢測到大棚內的溫度過高或過低時，會自動打開或關閉通風、卷簾散熱系統(tǒng)；當檢測到光照強度不利于農作物高效生長時，會自動打開補光燈，并根據實時檢測到的光照強度來智能調節(jié)補光強度；當檢測到土壤濕度較低時，會自動開啟灌溉系統(tǒng)，直至土壤濕度到達理想狀態(tài)。

該系統(tǒng)的整體運行由Arduino控制板負責，整體框架如圖1所示。當該系統(tǒng)開啟時，溫度傳感器、光敏檢測傳感器、土壤濕度檢測傳感器會自動檢測大棚內的環(huán)境情況，并將檢測到的數據上傳到Arduino主芯片，在Arduino內部對數據進行相應處理，對照設定的閾值來完成控制信號的輸出，并控制對應裝置的工作狀態(tài)，從而調整大棚內部環(huán)境，使各項檢測指標滿足農作物最佳生長要求。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 溫度檢測傳感器模塊

該系統(tǒng)采用DS18B20溫度檢測傳感器，模塊內部電路如圖2所示，DS18B20是單線數字、適配微處理器的智能數字溫度傳感器，其封裝小、抗干擾能力強，具有3個引腳，分別為數字信號端（DQ）、電源地（GND）、電源輸入端（VCC）。檢測溫度的范圍為-55～+125 °C，可進行9～12位的編程，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；工作電壓3～5.5 V，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20進行通信，占用微處理器的端口較少。該溫度傳感器與其他加熱或散熱裝置協同工作，可保證大棚內溫度穩(wěn)定在最合適農作物生長的溫度范圍內，其與Arduino的電路連接如圖3所示。

2.2 土壤濕度檢測傳感器模塊

該系統(tǒng)采用電阻式土壤濕度傳感器Soil Moisture Sensor。Soil Moisture Sensor模塊的工作電壓為5 V，是一種簡單的土壤含水量感應器，可用來測量土壤的含水量。該傳感器為叉形設計，便于直接插入土壤中。該傳感器表面進行了鍍金處理，加強其導電性和抗腐蝕性。在將模塊插入土壤后，輸出電壓隨土壤濕度升高而增大，用戶根據電壓值來判斷土壤的濕度情況，輸出值為0～300%RH時為干土壤、300%～700%RH為濕土壤、700%～950%RH為水［3］。該檢測模塊傳輸過來的值為模擬值，所以在連接Arduino時需要連接模擬引腳。該檢測模塊具有結構簡單、檢測速度快、準確、定點連續(xù)等優(yōu)點，與主板連接的電路如圖4所示。

2.3 光檢測傳感器模塊

該系統(tǒng)通過光敏電阻對大棚室內的光照強度進行監(jiān)測，并利用測量到的光線數與預設數進行對比，調節(jié)光照系統(tǒng)的補光程度。光敏電阻是一類利用半導體材料所制造的、獨特的電阻器，其作用機理是內光電效應［4］。內部電阻值會因檢測到的光照強度不同而發(fā)生變化，暗電阻非常大，可達1.5 MΩ，亮電阻可小至1 kΩ，無光照時呈現出高阻態(tài)。

光敏電阻的結構通常為薄片結構，便于在使用過程中吸收更多的光能。同時，為了提高靈敏度，把電極做成梳狀圖案。當受到光線照射時，光敏電阻的內部會激發(fā)出電子—空穴對，產生的電子—空穴對參與導電，電路中電流增強。光敏電阻與Arduino主板連接電路如圖5所示，光敏電阻是一個沒有極性的器件，可將其當作一個電阻器來使用，其檢測到的數據是模擬信號，通過串聯一個分壓電阻，檢測光敏電阻分得的電壓值，再將其送到Arduino單片機進行處理，輸出控制信號控制相應設備。

2.4 大棚補光模塊

在農作物生長過程中，有時因自然光線不足，會影響植物的生長，想要植物有更好的產量，并提高生產效益，就需要進行補光。該智慧農業(yè)大棚檢測系統(tǒng)中的補光模塊采用的是PWM技術進行自動調光，波形圖如圖6所示，通過調整占空比來控制流過電流的大小，從而調整LED燈的亮度［5］。

3 系統(tǒng)軟件設計

在智慧農業(yè)大棚中，需要采集大棚內的溫度、光照強度、土壤濕度，并將采集到的數據跟設定值進行對比，根據實際需要來控制相應設備的工作狀態(tài)，從而調整大棚內的環(huán)境狀態(tài)。為了使該系統(tǒng)能有條不紊工作，該系統(tǒng)的工作流程如圖7所示。 系統(tǒng)開始運行時，先初始化整個系統(tǒng)，接著同時啟動溫度采集、光照強度采集、土壤濕度采集模塊來采集大棚內的實時狀態(tài)數據，將采集到的數據跟預設值進行對比，如果不在設定范圍內，則根據需要自動啟動對應設備，直到檢測到的結果滿足要求，才自動停止相應設備。如：初始化系統(tǒng)后，溫度采集模塊自動檢測大棚內的溫度情況，并將采集到的數據上傳到Arduino主板中，判斷該檢測的溫度是否在（20 °C<溫度<30 °C）設定范圍內，如果不在設定范圍內，則開啟散熱或者加熱系統(tǒng)，否則關閉散熱或者加熱系統(tǒng)，繼續(xù)采集溫度，再判斷，不斷地循環(huán)該過程。

4 系統(tǒng)測試

測試選用的模塊有一個溫度傳感器、一個光敏傳感器、一個土壤濕度傳感器、一個通風散熱/加熱模塊、一個光電控制模塊、一個灌溉系統(tǒng)。通過硬件連接測試、程序下載完成后，該系統(tǒng)能正常上電、初始化，系統(tǒng)可同時對大棚溫度、光照強度、土壤濕度進行檢測，并對檢測到的數據進行處理，控制相應設備啟動或停止工作。

5 結語

經過測試功能調試，系統(tǒng)上電初始化后，能根據所處的大棚環(huán)境，實時檢測大棚內的溫度，若檢測到的溫度高于或低于設定值，自動開啟散熱或加熱系統(tǒng)；若檢測到的光線強度低于設定值，自動開啟補光燈，并根據實際情況自動調節(jié)補燈光；若檢測到的土壤濕度低于設定的400%RH，可自動開啟灌溉系統(tǒng)，直到檢測到的土壤濕度高于400% RH。同時，由于不同農作物生長需要的生長溫度、光照、土壤濕度不同，可通過修改程序的設定值，將該系統(tǒng)應用于不同的農作物種植大棚。該系統(tǒng)操作簡單、成本低、檢測準確度高、穩(wěn)定性好，可實現農業(yè)大棚種植的自動化、智能化，且其功能調試狀態(tài)良好，達到預期效果。

參考文獻：

［1］蒲虹橋，陳陽明，任娟慧.基于Arduino的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.成都航空職業(yè)技術學院學報，2020（2）：54-57.

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［3］趙云娥，張風彥，吳怡暉.基于Arduino的智慧農業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2019（4）：72-76.

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［5］李祥兵，王春才，王坦，等.基于PWM調光模式的白光LED驅動設計研究［J］.汽車電器，2020（11）：17-20.