一種基于Arduino mega的溫室大棚調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著農(nóng)業(yè)科技及其配套設(shè)施的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高。能夠在寒冷的冬天吃上綠色可口的反季節(jié)蔬菜，溫室大棚功不可沒(méi)。但是，目前專業(yè)化的溫室大棚種植技術(shù)的推廣在我國(guó)還存在一定的局限性，勞動(dòng)力文化水平提升還是一大難題，機(jī)械化水平較發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。針對(duì)這樣的狀況，本文提出了一種簡(jiǎn)單的集成溫室大棚調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在減輕勞動(dòng)量的同時(shí)還為大棚管理提供科學(xué)經(jīng)驗(yàn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】溫室大棚;系統(tǒng)調(diào)節(jié);Arduino板;傳感器

1、設(shè)計(jì)背景

溫室大棚作為一種現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)設(shè)施，從上個(gè)世紀(jì)五十年代至今一直在不斷發(fā)展，我國(guó)的溫室大棚發(fā)展歷史也已經(jīng)有近六十年的歷史。但是目前有些地區(qū)的溫室大棚還存在著管理落后，勞動(dòng)成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化程度低等缺陷結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種基于Arduino mega2560 R3控制板的溫室大棚調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)大棚溫度，空氣濕度，土壤濕度，空氣CO2，光照強(qiáng)度等檢測(cè)，作出相應(yīng)判斷，繼而通過(guò)控制外部設(shè)備做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自動(dòng)化。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以Arduino mega R3為主控器，以各種溫室大棚的傳感器為信息采集設(shè)備，以各種外接裝置為調(diào)節(jié)終端所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其架構(gòu)導(dǎo)圖如下圖一所示。

3、物理信息采集

3.1空氣溫濕度采集

使用NH211WS室內(nèi)溫濕度傳感器，這是溫室大棚專用溫濕度傳感器，具有可靠，穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)，體積小，響應(yīng)迅速，能耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)大棚空間大小，在溫室大棚空間內(nèi)安裝一定數(shù)目此傳感器。用于采集空氣溫濕度數(shù)據(jù)，溫度量程為-40℃ 60℃精確度為0.2℃，濕度量程為-50% 80%，精確度為3%。因?yàn)榇笈飪?nèi)溫濕度變化緩慢，所以間歇性向主控器發(fā)送信號(hào)通信，用于主控器判斷是否改變大棚的溫濕度。

3.2光照強(qiáng)度采集

使用NH207光照度傳感器，具有進(jìn)口傳感核心，精確探測(cè)，且能根據(jù)光照強(qiáng)度不同來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)量程。量程有0-2klx、0-20klx、0-200klx等，精確度達(dá)到5%，分辨率為1。具有安裝方便，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在作物周圍安裝后檢測(cè)作物周圍光照強(qiáng)度，不斷與主控器通信，用于主控器判斷，是否調(diào)整大棚遮陽(yáng)效果，來(lái)改變光照強(qiáng)度。

3.3空氣CO2含量采集

使用NH162二氧化碳傳感器來(lái)采集大棚內(nèi)二氧化碳濃度信息，其原理是采用紅外吸收檢測(cè)，單光源，雙通道核心，內(nèi)置溫度補(bǔ)償功能，具有高靈敏度，壽命長(zhǎng)，精度高，穩(wěn)定等等優(yōu)點(diǎn)。量程在0-2000ppm。廣泛用于溫室大棚二氧化碳含量的測(cè)量。在大棚內(nèi)合理布置二氧化碳傳感器位置及數(shù)目，實(shí)時(shí)向主控器發(fā)送信號(hào)用于主控器判斷。是否需要調(diào)節(jié)二氧化碳含量。

3.4土壤濕度含量采集

使用NHSF48土壤水分傳感器來(lái)采集土壤濕度，測(cè)量精度3%。采用了FDR（Frequency Domain Reflectometry） 頻域反射原理，傳感器發(fā)射電磁脈沖，通過(guò)電磁波在介質(zhì)中的傳播頻率來(lái)測(cè)量土壤表觀介電常數(shù)，繼而得到土壤相對(duì)含水量。傳感器的量程在0%-100%之間。具有簡(jiǎn)單安全，快速準(zhǔn)確，單點(diǎn)連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)作物的自然生長(zhǎng)特性，在大棚內(nèi)的土壤合適的深度內(nèi)合理安裝一定數(shù)目的傳感器，間歇性向主控器發(fā)送信號(hào)，用于主控器判斷。是否對(duì)土壤濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)（排水或澆水）。

4、數(shù)據(jù)分析與發(fā)送指令

數(shù)據(jù)分析模塊是arduino mega 2560 r3作為控制模塊。Mega2560 r3采用了USB接口的核心電路，搭載了ATmega16U2芯片，內(nèi)置isp flash容量增加一倍，作為一種單片機(jī)MCU開(kāi)發(fā)板，MAGE2560 R3能在windows系統(tǒng)上的專用IDE內(nèi)開(kāi)發(fā)，其具有54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)，這里使用的傳感器較多，所以IO口多的mega板很合適。此外它還有4路串口通信引腳，可用于與其他控制器通信使用，4路串口信號(hào)分別是：（1）串口0（0號(hào)引腳RX，1號(hào)引腳TX）， （2）串口0（19號(hào)引腳RX，18號(hào)引腳TX），（3）串口2（17號(hào)引腳RX，16號(hào)引腳TX），（4）串口3（15號(hào)引腳RX，14號(hào)引腳TX）。串口0與內(nèi)部ATmega16U2 USB-to-TTL芯片相連，提供TTL電壓水平的串口接收信號(hào)。

在arduino的編譯器arduinoIDE中使用C語(yǔ)言進(jìn)行源程序編譯，在控制器中將傳感器傳來(lái)的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的閾值進(jìn)行對(duì)比，并由控制器做出判斷，如果數(shù)據(jù)偏離設(shè)定閾值，則由控制器輸出電平信號(hào)，控制相應(yīng)的外部設(shè)備（二氧化碳發(fā)生裝置、農(nóng)業(yè)用翅片管式加熱裝置、溫室排氣通風(fēng)電機(jī)、溫室霧化加濕電機(jī)、滴灌電機(jī)、排水電機(jī)）進(jìn)行響應(yīng)。此時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)中仍然在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，做到實(shí)時(shí)控制。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的溫室大棚調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有造價(jià)低、易安裝、易維修、易于改變參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)對(duì)于考慮到諸多因素的影響，基本能將溫室大棚的環(huán)境控制在一個(gè)比較適宜的狀態(tài)，對(duì)于改善我國(guó)部分地區(qū)的溫室大棚管理模式具有一定幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭小東，王曉潔，李玲玲.面向植物生長(zhǎng)智能監(jiān)控的葉顏色特征提取[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010（19）：401-407.

[2]邢希君.基于多變量控制的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[D].太原理工大學(xué)，2018.

[3]劉璐，劉光偉.關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的研究[J].科技咨詢.2018，（24）：95-96.

[3]李興澤，王福平.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚智能管控系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（1）：181-183.

作者簡(jiǎn)介：劉城市（1997—），男，漢族，安徽省阜陽(yáng)市人，本科學(xué)歷，學(xué)校：延邊大學(xué)工學(xué)院。

通訊作者：樸鋒愛(ài)，延邊大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系講師。