基于Kittenblock 的智慧大棚研究

鐘宇航 ， 孫達坤 ， 楊得驥 ， 周穎怡

（1.嶺南師范學院，廣東 湛江 524048；2.中國熱帶農業(yè)科學院農產(chǎn)品加工研究所，廣東 湛江 524001）

1 我國農業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國是農業(yè)大國， 農業(yè)經(jīng)濟將長期在國民經(jīng)濟中處于重要地位。 但現(xiàn)今我國大部分地區(qū)還維持著傳統(tǒng)農業(yè)粗放的管理方式，憑借經(jīng)驗施肥灌溉，不僅需要大量的人力物力，對環(huán)境保護以及水土保持構成嚴重威脅，還因無法對農業(yè)環(huán)境信息實現(xiàn)精細化、智能化管理，影響了農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

為了克服我國農業(yè)生產(chǎn)的劣勢， 本文旨在設計一種能夠實現(xiàn)精細化、智能化管理的智慧大棚，這個智慧大棚提高農作物的產(chǎn)量和質量的同時，造價低廉，適用性廣，有利于推動我國的現(xiàn)代化農業(yè)建設[1]。

2 智慧大棚簡介

農業(yè)生產(chǎn)中，影響農作物生長的主要因素有溫度、濕度、光照度等等，想要做到科學合理種植僅僅依靠傳統(tǒng)的人工控制方式非常困難[2]。 本文提出的基于Kittenblock 的智慧大棚具有以下功能：

1） 大棚內溫度的測定；

2） 大棚內土壤濕度的測定；

3） 大棚內光照強度的測定；

4） 大棚內的防火報警系統(tǒng)；

5） 把收集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上；

6） 根據(jù)傳感器收集的數(shù)據(jù)判定下一個執(zhí)行動作。

2.1 Kittenblock 圖形化編程軟件介紹

Kittenblock 是由小喵科技出品的一款基于Scratch3.0青少年編程軟件。 Kittenblock 支持圖形化程序micro：bit、arduino 等開源硬件控制， 支持Python/c++代碼等高級語言。繼承了Scratch3.0 的優(yōu)點，采用拖拽模塊的方式進行程序的編寫， 還能夠利用Arduino 開發(fā)板來創(chuàng)作出更多更強大的互動作品。 Kittenblock 圖形化編程軟件功能強大，但卻因為能把程序轉換成圖形積木的形式而變得易懂易學。

2.2 主控板的介紹

Kittenblock 圖形化編程軟件支持多種硬件控制，本文設計的大棚采用的微控制器是Arduino 開發(fā)板中的UNO R3 主控板，ATmega328 MCU 主控芯片是開發(fā)板正常工作的基礎，UNO R3 開發(fā)板具有14 路的數(shù)字輸入輸出引腳（其中6 路可用于PWM 輸出）、6 路模擬輸入引腳、 一個16MHz 的陶瓷諧振器、 一個USB 接口、 一個適用于7V～12V 的直流電壓的電源插座、 一個ICSP 接頭和一個復位按鈕，是本文提出的智慧大棚的硬件部分。

2.3 傳感器的選擇與介紹

1） 溫濕度傳感器模塊。 本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器模塊是DHT11 溫濕度傳感器模塊， 該模塊可以用于大棚內溫濕度的測量。 它的正常工作電壓是3.3V～5.5V，可以兼容UNO R3 主控板，具有長期的穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力強、成本低、響應快、信號傳輸距離長和精確校準等特點。 同時，它還有一個NTC 測溫元件、電容式感濕元件以及一個高性能8 位單片機。

2） 土壤濕度傳感器模塊。 本文設計的智慧大棚土壤濕度測量采用的傳感器是土壤濕度檢測模塊。 它的正常工作電壓是3.3V～5V，兼容UNO R3 主控板當接數(shù)字輸出端口時，可以通過順時針調節(jié)傳感器模塊上的電位器來增大土壤濕度模塊控制濕度的閥值，相應的，逆時針調節(jié)電位器則可以降低傳感器控制濕度的閥值；在本文設計的智慧大棚當中連接土壤濕度檢測模塊的方式是接模擬端口。

3） 光照傳感器模塊。 本文設計的智慧大棚光照強度檢測系統(tǒng)所用的傳感器為光敏電阻傳感器。 工作原理是利用其對光線敏感的特性來檢測周圍環(huán)境光線的亮度，以此來觸發(fā)單片機或者繼電器模塊等等。 在本文設計的智慧大棚當中采用的連接方式是接模擬端口。

4） 火焰?zhèn)鞲衅髂K。 本文設計的智慧大棚中的防火系統(tǒng)采用火焰?zhèn)鞲衅鳎?當火焰以及760nm～1 100nm 波長范圍內的光源出現(xiàn)在大棚內時， 火焰?zhèn)鞲衅骺梢宰R別并且觸發(fā)下一步的執(zhí)行命令。

5） 繼電器模塊。在本文設計的智慧大棚中，繼電器用于排氣扇以及水泵的觸發(fā)。 繼電器采用的是5V 高電平觸發(fā)繼電器，繼電器具有電源和繼電器動作指示，吸合時，電路連通，綠燈亮，觸發(fā)排氣扇或者水泵工作；反之，電路斷開時綠燈不亮。 它可以控制直流或者交流信號，也可控制220V 交流負載； 負載端口分為常開端 （NO）、 公共端（COM）、常閉端（NC）。

6） IIC LCD 1602 液晶屏。 在本文設計的智慧大棚當中，1602 液晶屏用于顯示溫濕度傳感器、 土壤濕度檢測模塊、光敏電阻以及火焰?zhèn)鞲衅魇占降臄?shù)據(jù)。使用IIC LCD 1602 液晶屏可以只連接4 個引腳，大大節(jié)省了引腳端。

7） L298N 電機驅動模塊。 L298N 電機驅動模塊在本文設計的智慧大棚中的作用是啟動直流電機去開啟或者關閉遮陽棚。 驅動模塊采用了驅動能力強、發(fā)熱量低以及抗干擾能力強的L298N 作為驅動芯片， 另外使用了大容量濾波電容，續(xù)流保護二極管，可以提高可靠性。

3 系統(tǒng)方案及體系結構

智慧大棚系統(tǒng)可以實現(xiàn)大棚內各種環(huán)境因素的實時監(jiān)測與反饋。 該系統(tǒng)采用感知層、傳輸層和應用層三層結構。 由感知層對溫室大棚的氣候環(huán)境信息進行全面感知，將傳感器收集的數(shù)據(jù)反饋到主控板， 傳輸層通過傳感器收集信息傳遞到主控板上分析并確定下一步的執(zhí)行命令， 用戶通過大棚內的LCD 液晶屏或者電腦上Kittenblock 的串口通訊隨時隨地獲取大棚的環(huán)境信息。 應用層處理反饋后確定下一步的執(zhí)行命令， 最后執(zhí)行器的工作使得不適合植物生長的環(huán)境因素恢復到正常。

3.1 系統(tǒng)硬件設計

對于系統(tǒng)而言，感知節(jié)點作為數(shù)據(jù)采集的關鍵部分，需保證采集數(shù)據(jù)的準確性和可靠性[3]。Arduino UNO R3 主控板作為感知節(jié)點的核心組成部分， 主要負責感知節(jié)點中相關設備的協(xié)調工作， 完成對大棚內環(huán)境信息的采集和發(fā)送。

傳感器設計是本智慧大棚的關鍵點， 傳感器的方案設計需要收集影響農作物生長因素的數(shù)據(jù)進行分析。 作為感知層的傳感器在收集數(shù)據(jù)后， 由主控板進行分析判斷是否執(zhí)行下一步命令， 如果收集到的數(shù)據(jù)沒有達到設定的閾值時， 主控板執(zhí)行命令， 觸發(fā)對應解決措施的開關，從而使傳感器收集到的數(shù)據(jù)恢復正常。

3.2 系統(tǒng)程序的設計

智慧大棚系統(tǒng)程序設計與實現(xiàn)的最關鍵部分是系統(tǒng)程序的編寫， 本系統(tǒng)的程序編寫是在Kittenblock 圖形化編程軟件上進行的。 本系統(tǒng)的程序編寫分為兩部分進行，主要是各部分傳感器與UNO 主控板、UNO 主控板與傳感器整體連接的編程。 傳感器與UNO 主控板部分的程序是本智慧大棚的程序的基礎[4]。 這部分編程主要是編寫傳感器收集數(shù)據(jù)，設定閾值，超出或低于標定值，主控板做出判斷后執(zhí)行下一步操作使數(shù)據(jù)回到正常值。 另一部分就是整合各個部分的程序，融合為主程序。 總體上，本系統(tǒng)的程序編寫要滿足以下幾點的要求：

1)DHT11 溫濕度傳感器模塊的程序設計。本編程部分是測量大棚內溫濕度的。

2)土壤濕度傳感器模塊的程序設計。這部分是測量大棚內土壤濕度的。

3)光照傳感器模塊的程序設計。本編程部分是測量大棚內光照強度的。

4)防火報警系統(tǒng)的程序設計。大棚的防火報警系統(tǒng)的主要功能是能夠對棚內出現(xiàn)明火進行報警。

4 系統(tǒng)程序的測試及運行結果

4.1 系統(tǒng)程序的測試

在Kittenblock 圖形化編程軟件上編輯好每個傳感器模塊的程序之后，進行試驗，檢查傳感器模塊的工作狀態(tài)，確認無誤后把各個模塊的程序結合在一起，把程序上傳到UNO R3 主控板上，然后把各個傳感器模塊與主控板進行接線，最后把各個傳感器模塊分布在大棚模型內。

1） 溫濕度模塊測試。 DHT11 溫濕度傳感器接數(shù)字端口2，當溫度高于35℃時，引腳5 的繼電器開關被觸發(fā)，啟動排氣扇工作，通過換氣來達到降低大棚內溫度的目的；當濕度低于40%時，引腳4 的繼電器開關被觸發(fā)，啟動水泵工作輸送水分，提高大棚內的濕度。

2） 土壤濕度模塊測試。 土壤濕度傳感器接模擬端口A0，通電后初始值為1 023（此時電路斷開，土壤濕度狀態(tài)為干旱），隨著土壤濕度的增加，模擬端輸出的值越小。 經(jīng)實驗得出，當模擬端口輸出的值≥850 時，需要為土壤增加水分以達到適合植物生長的土壤濕度。

3） 光照強度模塊測試。 光敏傳感器接模擬端口A1，本程序光敏電阻串口的數(shù)值隨亮度的增強而減小， 呈負邏輯。 經(jīng)實驗得出，在當輸出數(shù)值大于300 時，系統(tǒng)打開LED 燈增加光線強度促進植物的光合作用； 當光敏傳感器測到的數(shù)值低于5 時，驅動電機開啟遮陽棚，降低光照強度，當降低到正常光強（即串口輸出數(shù)值大于5）時收回遮陽棚。

4） 防火報警系統(tǒng)測試。 火焰?zhèn)鞲衅鹘幽M端口A2，通電后串口打印的原始數(shù)值為1 023，當出現(xiàn)明火時數(shù)值變小。 經(jīng)實驗得出，當火焰?zhèn)鞲衅鳒y得的數(shù)值＜700 時，有明火出現(xiàn)，需要報警。

5） 液晶屏顯示模塊。 IIC LCD 1602 液晶屏模塊SCL接A5 引腳、SDA 接A4 引腳。 顯示屏中T 代表溫度（Temperature）、H 代表濕度 （Humidity）、S 代表土壤濕度（Soil）、L 代表光照亮度（Light）、F 代表火焰（Flame），除此以外，屏幕還顯示傳感器收集到的其他數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)運行結果

本文研究基于Kittenblock 的智慧大棚， 系統(tǒng)運行過程中各個模塊運行正常， 各個傳感器模塊能正常收集數(shù)據(jù)，并由主控板分析判斷下一個執(zhí)行動作，應用層的各個模塊也能正常進行澆灌、通風降溫、遮陽照明等等。

5 總結

該智慧大棚， 利用Arduino UNO R3 主控板以及各種傳感器作為大棚的硬件， 用Kittenblock 圖形化編程軟件編輯程序，可隨時修改程序，技術要求也不高。 總體而言，能較低成本有效實現(xiàn)農業(yè)智能化。