前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚控制系統(tǒng)研究，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

【摘要】傳統(tǒng)的溫室大棚監(jiān)測和控制需要過多的人工干預(yù)，在實際操作中既容易造成參數(shù)調(diào)節(jié)差錯也浪費人力成本。本文設(shè)計一套智能溫室控制系統(tǒng)，能對溫室大棚參數(shù)進(jìn)行采集、信號傳輸以及智能監(jiān)測和決策控制。實踐證明，該系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】智能；溫室大棚；控制

目前溫室大棚基地是蔬菜的一個重要來源地，傳統(tǒng)的溫室大棚基地的參數(shù)控制主要靠人為介入調(diào)節(jié)，如果僅靠人工控制既耗人力，又容易發(fā)生差錯。相對生產(chǎn)來說，將智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用到大棚生產(chǎn)以后，產(chǎn)量與質(zhì)量比人工控制的大棚都有極大的提高，對于不同的種植品種而言，提高產(chǎn)量與質(zhì)量相對不同，對于檔次較高的經(jīng)濟(jì)作物來說，生產(chǎn)效率可以提高30%以上。為此，在現(xiàn)代化的大棚管理中需要有一套完整的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚控制系統(tǒng)，以控制大棚各項參數(shù)，適應(yīng)生產(chǎn)需要。智能農(nóng)業(yè)溫室大棚控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，準(zhǔn)確設(shè)置溫室大棚基地的環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)采樣溫室大棚各參數(shù)后和設(shè)定值做對比分析，自動調(diào)節(jié)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)使環(huán)境參數(shù)達(dá)到設(shè)定值。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

各種環(huán)境因素對溫室大棚智能化調(diào)節(jié)提出了新的要求，為了能適應(yīng)環(huán)境變化，使系統(tǒng)能夠全方位和角度感知環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化、數(shù)據(jù)信息有效傳輸及系統(tǒng)穩(wěn)定性的特點，使用物聯(lián)網(wǎng)智能控制技術(shù)，結(jié)合Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等新一代信息技術(shù)對溫室大棚進(jìn)行全方位的監(jiān)測和調(diào)節(jié)。溫室大棚控制系統(tǒng)主要包括感知層、數(shù)據(jù)傳輸層和系統(tǒng)應(yīng)用層。其中感知層網(wǎng)絡(luò)由Zigbee終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器組成，主要應(yīng)用Zigbee技術(shù)進(jìn)行無線節(jié)點設(shè)計，對需要的大棚信息參數(shù)進(jìn)行采集，各終端節(jié)點對溫濕度、光照度、CO2濃度等參數(shù)實時采集后，經(jīng)過由協(xié)調(diào)器組建的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與主控制板進(jìn)行通訊。主控制板通過LAN網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制的WAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)相互交互和傳輸，技術(shù)人員可以通過電腦或者手機(jī)實時監(jiān)測溫室大棚的各環(huán)境參數(shù)。針對需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，系統(tǒng)主控板接采樣到數(shù)據(jù)后，和目標(biāo)值進(jìn)行比較，將誤差和誤差變化率作為模糊控制的輸入端，建立一個二維輸入多輸出的模糊控制器，為系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)提供決策。

2系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計

2.1溫濕度傳感器DHT1電路

溫濕度參數(shù)采集電路主要通過DHT11傳感器實現(xiàn)，溫濕度采集電路如圖2所示。DHT11內(nèi)部包括了一個微型單片機(jī)和溫濕感應(yīng)元器件，具有低功耗、響應(yīng)快速、抗干擾能力強(qiáng)的特點，信號的傳輸距離可以達(dá)到20米以上。DHT11傳感器和控制器連接的方式支持單總線的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)和指令的發(fā)送和接收都是通過第2腳DATA引腳進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｔ谟布O(shè)計中，需要將DATA引腳外接上拉電阻4.7KΩ到3.3V，保證總線沒有設(shè)備占用時總線電平為高電平。主機(jī)訪問總線上器件時必須遵守單總線的時序，只有主機(jī)呼叫從機(jī)，從機(jī)才會應(yīng)答。溫濕度傳感器DHT11供電范圍是3.5V-5.5V，如果超過這個范圍，傳感器可能會燒、假如低于這個范圍，可能傳感器會讀出錯誤的溫濕度數(shù)據(jù)。因此，在使用那些3.3v單片機(jī)做編程的時候，這點需要特別注意。

2.2光照度傳感器電路設(shè)計

BH1750FVI是日本羅姆（ROHM）半導(dǎo)體生產(chǎn)的IIC數(shù)字接口的環(huán)境光傳感IC，支持速率最大400Kbps，具有較小的測量誤差（精度誤差最大值±20%），支持兩個IIC地址，通過ADDR引腳選擇。該傳感器內(nèi)部包含有16位AD轉(zhuǎn)換，可以直接輸出環(huán)境光強(qiáng)的數(shù)值，其光照度測量范圍為1lx-65535lx，通過IIC輸出其數(shù)值。該傳感器具有3種分辨率模式可以設(shè)置，分辨率分別為4lx、1lx和0.5lx時所對應(yīng)的測量時間為16ms、120ms和120ms。使用BH1750FVI時，首先需要對串口調(diào)試助手的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括傳輸波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位。對于兩個進(jìn)行通信的端口,這些參數(shù)必須匹配；然后根據(jù)傳感器讀寄存器地址讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)。光照度傳感器電路如圖3所示，傳感器U4的ADDR引腳為IIC的地址端口，本系統(tǒng)設(shè)計中，BH1750FVI第2腳接地表示該芯片的地址為0100011；如果第2腳接高電平則表示該芯片地址為1011100。芯片第5腳DVI端口為內(nèi)部寄存器的異步重置端口，芯片第4腳SDA和第6腳SCL分別接處理器的IIC總線接口。

2.3CO2傳感電路設(shè)計

在蔬菜溫室大棚中，二氧化碳對蔬菜栽培的影響比較大。因此在管理蔬菜大棚的時候，要對CO2氣體進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足蔬菜高產(chǎn)的需求。CO2的調(diào)節(jié)主要集中在白天進(jìn)行光合作用的時期，本文選擇MH-Z14氣體傳感器對CO2濃度進(jìn)行測量，該傳感器模塊性能穩(wěn)定，并具備低功耗、高分辨率、高靈敏度的特點。傳感器利用非色散紅外原理對大棚環(huán)境中存在的CO2進(jìn)行檢測，可以用模擬電壓和數(shù)字輸出的方法同時輸出檢測結(jié)果，參數(shù)可以用串口、PWM波形、模擬電壓信號等實時輸出方式。其內(nèi)部自帶溫度傳感器，對溫度進(jìn)行有效補(bǔ)償保障結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有良好的線性輸出。為了保證傳感器正常工作，傳感器的恢復(fù)供電時間必須小于50MS，工作電壓保持在4.5V~6VDC范圍中，超出此電壓范圍將會導(dǎo)致故障指示，或傳感器將不能正常工作。MH-Z14是通過UART進(jìn)行通訊的，模塊工作于UART的從機(jī)模式，可以與外部的MCU相聯(lián)。第8腳HD為校零使用，低電平有效；第4腳為DAC2輸出電壓范圍0.4V~2V，對應(yīng)氣體濃度0~滿量程。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1溫濕度傳感器DHT11軟件設(shè)計

DHT11用的是單總線協(xié)議，每次讀取DHT11的數(shù)據(jù)時，都要一次性讀取40次，也就是讀取40位。并且數(shù)據(jù)前16位是與濕度相關(guān)的，中間16位是與溫度相關(guān)的，最后8位是用來校驗的，當(dāng)校驗成功后，證明這一次的溫濕度結(jié)果正確的，單片機(jī)就可以使用這個溫濕度值；如果校驗不通過，那么就代表這次讀取出來的溫濕度值是錯誤的，需要丟棄該數(shù)據(jù)，原因可能是驅(qū)動程序沒有嚴(yán)格按時序來寫，也有可能是傳感損壞。第一步：主機(jī)先發(fā)送開始信號，從機(jī)會返回一個相應(yīng)信號進(jìn)行應(yīng)答。DHT11上電后，第2腳DATA數(shù)據(jù)線由上拉電阻R30拉高一直保持高電平，此時,DATA引腳處于輸入狀態(tài)，不斷檢測外部信號。第二步：主機(jī)信號線拉高準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。先將微處理器連接DATA引腳的IO引腳設(shè)置為輸出模式，并輸出有效低電平維持18ms，然后將將該IO引腳設(shè)置成上拉輸入狀態(tài)，等待DHT11將數(shù)據(jù)線拉低作出回答有效信號。第三步：開始接收數(shù)據(jù)。當(dāng)DHT11檢測到DATA引腳所在數(shù)據(jù)線被拉低后，等待該低電平結(jié)束后并輸出至少80us的低電平作為總線應(yīng)答信號，接下來輸出80us的高電平信號通知微處理器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，微處理器接收到該信號后，開始接收數(shù)據(jù)。接收40位長的數(shù)據(jù)，其中前16位是是濕度數(shù)據(jù)，中間16位是溫度數(shù)據(jù)，接下來的8位為校驗數(shù)據(jù)位。第四步：結(jié)束信號。DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)后，繼續(xù)輸出低電平50微秒后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)，由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖健５獶HT11內(nèi)部重測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，開記錄數(shù)據(jù)，等待外部信號的到來。

3.2光照度傳感器BH1750FVI驅(qū)動設(shè)計

微處理器通過IIC總線向光照度傳感器BH1750FVI發(fā)送起始信號，接下來向傳感器進(jìn)行地址分配并發(fā)送寫信號。光照度傳感器BH1750FVI應(yīng)答后，微處理器向傳感器發(fā)送內(nèi)部寄存器地址，傳感器采集數(shù)據(jù)后，微處理器等待應(yīng)答信號到并讀取光照度傳感器BH1750FVI的16位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分為高位和低位，過程為微處理器通過IIC總線向傳感器發(fā)送起始信號，并向傳感器發(fā)送設(shè)備地址和寫信號，發(fā)送完畢，微處理器等待傳感器應(yīng)答，微處理器得到應(yīng)答信號后讀取高8位數(shù)據(jù)，并發(fā)送應(yīng)答信號給傳感器，再讀取低8位數(shù)據(jù)。傳感器不發(fā)送應(yīng)答信號給微處理器，微處理器停止信號發(fā)送，采集過程結(jié)束。

3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組件

智能農(nóng)業(yè)溫室大棚控制系統(tǒng)節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸主要采用Zig-bee無線傳感技術(shù)，各終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)采集上傳到中控系統(tǒng)，也需要接收中控系統(tǒng)傳輸來的指令并執(zhí)行操作。建立由終端節(jié)點、路由節(jié)點以及協(xié)調(diào)器等多個Zigbee節(jié)點組成的網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)能有效監(jiān)測和控制農(nóng)業(yè)溫室大棚的各環(huán)境參數(shù)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)、控制終端節(jié)點的加入等工作。路由器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)。終端節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行控制命令等，不具備路由功能。協(xié)調(diào)器通過串口中控系統(tǒng)進(jìn)行連接交互數(shù)據(jù)。Zigbee終端節(jié)點入網(wǎng)流程圖如圖6所示。

4結(jié)論

本文針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室大棚的技術(shù)需求，設(shè)計了一種智能溫室農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)方案，通過傳感器對個監(jiān)測對象進(jìn)行信號采集和調(diào)理，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控系統(tǒng)，完成了溫濕度傳感電路、光照度傳感電路以及CO2濃度測試電路和Zigbee節(jié)點等的部分軟硬件設(shè)計，實驗結(jié)果分析表明：該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用推廣價值和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]劉力,鮑安紅,曹樹星,等.溫室大棚內(nèi)環(huán)境自動化控制方案設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(1):90-93.

[2]孫碩碩,郭劉飛,徐志業(yè),等.智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計[J].黃河科技學(xué)院學(xué)報,2019(2):77-78.

作者:張葉茂 劉紅艷 符樹全 單位:南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院