大棚太陽能智能溫光調控系統設計

樊正富，洪西洋，黃國奔，田棟煒，熊必濤

(浙江科技學院 理學院，杭州 310023）

大棚太陽能智能溫光調控系統設計

樊正富，洪西洋，黃國奔，田棟煒，熊必濤

(浙江科技學院 理學院，杭州 310023）

以農業智能為理念，設計了以太陽能為驅動能源的智能溫光調控大棚。調控系統由大棚整體框架、太陽能供電模塊、光強控制模塊和溫度控制模塊組成。光強控制模塊包括百葉窗、光學傳感器、單片機控制電路和步進電機，通過檢測光的強度，利用單片機控制電路來控制步進電機轉動帶動百葉窗的轉動以實現對光強的控制。而溫度是通過溫度控制模塊來控制的。系統吸收了相關溫室大棚的優點，結合自己的設計，并用太陽能電池作為驅動能源，可以根據外界的條件自動對大棚的光強和溫度進行控制。該系統結構簡單，易于操作，節能環保，有使用和推廣價值；如果將該系統應用到農業中，在提高農產量方面會有潛在的應用價值。

智能控制系統；光強控制；溫度控制；太陽能；大棚；百葉窗

隨著農業產業結構的不斷調整，溫室大棚在中國應用越來越廣泛［1］。所以，溫室大棚在農業中的作用也越來越突出。然而，傳統的人工手動溫度和光照強度測量方法效率低、測試精度差，難以實現對溫室大棚中溫度和光照強度的精確控制［2］，導致農作物生長環境很難被很好地控制。因此，對溫度和光照強度智能化控制技術［3］的需求也越來越迫切。

已有研究者對光強控制進行了研究，但是還存在不足。一些研究者對光照強度控制模塊的設計比較復雜，主要包括調光設備和單片機控制電路，在實際中可能難以實現(主要是一些溫、濕度和光照度自動控制系統的設計［4］）；然而，這些量的控制對于農民來說是比較重要的。因此，本研究力求設計的光照強度控制模塊相對簡單。

大棚太陽能智能溫光調控系統中類似百葉窗的光強控制模塊受到生活中常用的百葉窗的啟發而設計，可以將農作物的生長環境保持在適宜的光照范圍之內，通過自動化系統控制［5］使農作物更好地生長，從而有望實現農業產量增產，還可以在一定的程度上方便溫室大棚的管理。同時，系統還增設了太陽能供電模塊，更加節能，可以實現自然能源的有效利用、降低成本與減少污染。

1 系統設計原理

大棚太陽能智能溫光調控系統設計原理圖如圖1所示，已能達到設計的全部功能。該系統的各個組件有：大棚整體框架、太陽能供電模塊、溫度控制模塊和光照強度控制模塊(光學傳感器［6］、百葉窗式遮光裝置、步進電機、單片機控制電路）。百頁窗原理圖如圖2所示。

圖1 光照強度和溫度控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of light-intensity and temperature controlling

圖2 百葉窗原理圖Fig.2 Schematic diagram of shutters

1.1 光強控制

太陽光照太強時，植物的光合作用會受到抑制，所以需要光學傳感器每隔一段時間檢測一次數據并結合單片機來控制大棚內的光強使其達到合適的值。本研究在單片機內部設定了合適的光照強度和溫度參考值。當光強比適宜的光強參考值弱時，單片機會自動調整百葉窗的角度使全部光強入射大棚內部；當光強比適宜參考值強時，單片機會自動調整百葉窗的角度使大棚內的光強保持在參考值附近。具體過程為：先將百葉窗轉動180°，設定每轉動5°測量一次光照強度，然后通過單片機程序(要用到冒泡法）選出最接近參考值的一個數據，再求出所對應的角度，最后控制電機轉到該角度即可(轉動角度可通過步進電機轉速計算轉動時間來得到）。此外，光控電路并不是時時開啟的，而是每半小時開啟一次，當電機轉到適合角度停止后，光控電路停止工作。這是因為半小時內光強變化不會特別大，而且這樣能夠更省電。當然，這一間隔可以根據實際情況進行設定。

1.2 溫度調節

內部溫度傳感器［7］每半小時檢測一次溫度數據，在內部溫度高于溫度參考值時，可以全開通風窗并打開排風扇來進行降溫；當溫度低于參考值時，關閉通風窗口和排風扇，使大棚處于封閉狀態，通過大棚原有的保溫效應提高大棚內部溫度。

1.3 太陽能

太陽能電池組可以為系統提供電力，到晚上，白天被太陽能模塊充電的蓄電池還可以為照明燈提供電力，滿足夜間大棚的電力需求。

2 系統設計

2.1 太陽能供電模塊

太陽能供電模塊(圖3）是由太陽能電池板、蓄電池、直流變化器等部分組成，在正常光照情況下，輸出直流電壓［8］。太陽能電池方陣是將多個單一的太陽能電池板經過串聯或者并聯，進行組裝和封裝后構成太陽能電池，它是由半導體材料做成的，將太陽能轉換成直流電流形式的電能。該直流電流經過DC-DC直流變換器(因為要對12 V的蓄電池進行充電，而市場上工作電壓大于12 V的太陽能電池板型號一般工作電壓為18 V，開路電壓為20 V左右，轉化效率為16%左右，故該模塊采用該型號的太陽能電池板，不能直接將12 V蓄電池連接到太陽能電池板兩端），把直流輸入電壓降低到略高于蓄電池的12 V電壓(約為13.8 V），串聯一個二極管(防止蓄電池的電流倒流到太陽能電池板），再接到12 V的蓄電池，從而達到太陽能發電功能。

2.2 光強控制模塊

圖3 太陽能供電模塊Fig.3 Solar power modules

早上，當光強超過光學傳感器能感應光強的下限時，光照強度控制模塊開始工作。首先，將百葉窗轉動180°，每5°檢測一次光照強度，通過單片機程序求出最接近參考值的數據所對應的角度，再控制電機轉動到該角度。這就實現了如下功能：在光強比適宜的參考值弱時，自動調整百葉窗的角度使全部光強入射大棚內部；在光強比適宜參考值強時，自動調整百葉窗的角度使大棚內的光強保持在參考值附近。傍晚，當光強低于光學傳感器能感應光強的下限時，控制電路直接將百葉窗轉到閉合狀態，這可以通過電機的轉速求出轉動時間來加以控制。百頁窗模塊實物如圖4所示。

2.3 溫度控制模塊

該系統還加入了一個簡單的溫度控制模塊，在內部溫度傳感器收集到的數據高于設定的參考值時，控制排風扇和通風口開啟，降低大棚內部溫度；當溫度低于參考值時，關閉排風扇和通風口，使大棚處于封閉狀態，通過大棚原有的保溫效應提高大棚內部溫度。

圖4 百葉窗模塊Fig.4 Shutters modules

3 系統的實驗與效果

將設計好的大棚模型放在實驗室內，打開電源，使系統在設定好的光照系統下開始正常工作，以此來模擬在一天中不同光照強度下大棚的工作狀態。

電源開啟后，每隔半小時將百葉窗轉動一圈，再通過光學傳感器將檢測到的一組光照強度數據送入單片機控制電路然后與參考值進行比較，選出最接近的數據，從而得到該數據對應的最佳角度，再控制電機轉到該角度即可。溫度傳感器每隔半小時檢測一次大棚內部溫度，高于參考值時打開排風扇和通風口降溫，低于參考值時關閉排風扇和通風口，通過保溫效應增溫。

實驗中選擇的植物的最適宜光強為30 000 lx左右，最適宜溫度為20℃左右，光學傳感器感應光照強度的下限為1 000 lx。為簡單起見，將光照系統固定在大棚模型正上方。

不同光照強度下百葉窗轉動的角度見表1。設定光照強度低于1 000 lx，溫度為10℃，光強控制模塊控制百葉窗閉合；溫度控制模塊控制排風扇和通風口關閉，保持大棚密閉來增溫。設定光照強度為10 000 lx，溫度為10℃，太陽能電池板開始工作，但轉化的電能不多，需要蓄電池給系統供電；而光照強度控制模塊會選擇讓光線全部進入大棚內；溫度控制模塊控制通風口和排風扇關閉，通過密封大棚的保溫效應來增溫。設定光照強度為30 000 lx，溫度為20℃，太陽能電池轉化的電能足夠供給系統工作，并為蓄電池充電；光強控制模塊和溫度控制模塊工作狀態與光照強度為10 000 lx，溫度為10℃時相同。設定光照強度為50 000 lx，溫度為30℃，太陽能電池為系統工作提供電力，并為蓄電池充更多的電；棚外的光照強度大于適合農作物生長的最適宜光強，光照強度控制模塊會選擇一個合適的角度來遮擋一部分陽光，保持內部光照強度不高于最適宜光強；溫度控制模塊通過控制排風扇和通風口的開啟來降溫。

表1 百葉窗轉動角度隨光照強度變化情況表Table 1 Rotating angle of shutters with light-intensity variation

通過檢測大棚內不同時段的光照強度和溫度，由單片機控制電路根據不同數據對光照強度和溫度做出調整，可以達到大棚內農作物最適宜的生長環境。系統的綜合運行實物圖如圖5所示。

圖5 系統綜合運行實物圖Fig.5 Real-time running photo of greenhouse

4 結 語

大棚太陽能智能溫光調控系統通過太陽能供電模塊、溫度控制模塊和光照強度控制模塊的協同工作，實現了大棚內溫度、光照強度的穩定控制。同時，該系統采用太陽能供電模塊和智能化的溫光控制結合，一定程度上既提高了系統的節能水平，又提高了系統的工作效率；采用光學傳感器，使系統更加智能化。該系統的結構和電路相對簡潔，性能可靠，對溫光控制的效果較好，對環境無污染，有潛在的市場應用價值，可以在農業生產方面進行推廣和使用。

［1］ 張鈺玲.農業大棚智能控制系統設計與研究［J］.微計算機信息，2009，25(8）：52-53.

［2］ 袁芳，江偉，馮卡力，等.農業大棚溫度測試系統的設計［J］.江蘇農業科學，2013，41(12）：408-410.

［3］ 陳書欣，馬洪濤，劉璽.智能溫室大棚系統設計［J］.河北工業科技，2011，28(4）：240-243.

［4］ 王麗雅.大棚溫濕度和光照度自動控制系統設計與實現［J］.農業工業，2013，3(4）：48-51.

［5］ 劉力，鮑安紅，曹樹星，等.溫室大棚內環境自動化控制方案設計［J］.農機化研究，2013(1）：90-93.

［6］ 孫傳友，孫曉斌，張一.感測技術與系統設計［M］.北京：科學出版社，2004.

［7］ 趙秀珍，王乃釗，毛文華.光照度、空氣溫/濕度傳感器的研究和實驗［J］.中國儀器儀表，2002(1）：29-31，36.

［8］ 馮秀萍，李明輝，田立強.太陽能光伏技術在溫室大棚控制系統中的應用［J］.科技致富向導，2013(5）：42-43.

Design of temPerature and light-intensity control system for solar intelligent greenhouse

FAN Zhengfu，HONG Xiyang，HUANG Guoben，TIAN Dongwei，XIONG Bitao
(School of Sciences，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China）

A solar intelligent greenhouse with the temperature and light-intensity control function is designed，which is based on the intelligent concept for agriculture.The control system is composed of a general framework of the greenhouse，a solar power supply module，a light-intensity control module and a temperature control module.The light-intensity control module includes shutters，an optical sensor，a single chip microcomputer(SCM）control circuit and a stepping motor.By detecting the light-intensity，the SCM control circuit controls the stepping motor to rotate the shutters，and the light-intensity can be controlled accordingly. And the temperature control module can also adjust the temperature.This solar intelligent greenhouse is based on our own design with the advantages of the relevant greenhouse，and it canautomatically control the greenhouse's light-intensity and temperature according to the external conditions.It has outstanding advantages including simple structure，simplicity of operation，energysaving and environmental compatibility，and can be worth using and promoting for the future.If this system is applied to the agriculture，it will promise to increase the agricultural output.

intelligent control system；light-intensity control；temperature control；solar energy；greenhouse；shutters

TP273.5；S625.5

A

1671-8798(2014）05-0353-04

10.3969/j.issn.1671-8798.2014.05.007

2014-06-02

浙江省教育廳科研計劃項目(Y201326717）；浙江省教育廳高等學校訪問學者專業發展項目(FX2013092）；浙江省大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃）(2013R415035，2014R415031）；浙江科技學院學科交叉預研專項項目(2013JC11Y）

樊正富(1992― ），男，浙江省衢州人，2010級應用物理專業本科生。

熊必濤，副教授，博士，主要從事太陽能電池系統和薄膜電池材料的研究。