光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)

2014-10-23 11:20:55徐少明吳大軍邱成軍

江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年8期

徐少明+吳大軍+邱成軍

摘要：光伏農(nóng)業(yè)就是將太陽(yáng)能發(fā)電廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、灌溉、病蟲害防治以及農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力提供等領(lǐng)域的一種新型農(nóng)業(yè)。本研究設(shè)計(jì)了光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控方案，將CAN總線技術(shù)、無線技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并對(duì)太陽(yáng)能電池匹配、光電池選型、環(huán)境溫濕度等環(huán)境因子的采集等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)控溫室的環(huán)境因子，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：光伏農(nóng)業(yè)；環(huán)境檢測(cè)；溫度；設(shè)施農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)：X382 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2014）08-0316-03

光伏農(nóng)業(yè)就是將太陽(yáng)能發(fā)電廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、灌溉、病蟲害防治以及農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力等領(lǐng)域的一種新型農(nóng)業(yè)^[1-3]。包括光伏農(nóng)業(yè)并網(wǎng)發(fā)電、太陽(yáng)能殺蟲燈、光伏大棚、光伏養(yǎng)豬等應(yīng)用，它是太陽(yáng)能光伏發(fā)電與設(shè)施農(nóng)業(yè)的有效結(jié)合，一方面太陽(yáng)能光伏電站可運(yùn)用低成本的農(nóng)地直接發(fā)電；另一方面將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)及新型納米仿生態(tài)轉(zhuǎn)光膜技術(shù)綜合嫁接到傳統(tǒng)溫室大棚，根據(jù)不同植物生長(zhǎng)對(duì)不同波長(zhǎng)光的需求，進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換以便作物吸收，增強(qiáng)光合作用；另外白天存貯的太陽(yáng)能晚間用于給LED補(bǔ)光燈供電，提高作物的品質(zhì)^[4]。但是，相關(guān)光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)道較少，黑龍江大學(xué)邱成軍教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)多年來一直從事智能控制技術(shù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)裝置的研制，團(tuán)隊(duì)中擁有懂得薄膜太陽(yáng)能、系統(tǒng)集成、智能控制技術(shù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)種植等領(lǐng)域的最先進(jìn)的技術(shù)人才。本研究設(shè)計(jì)了光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控方案，將CAN總線技術(shù)、無線技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并對(duì)太陽(yáng)能電池匹配、光電池選型、環(huán)境溫濕度等環(huán)境因子采集等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，這種光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)能源自給，既節(jié)能環(huán)保，又極易維護(hù)，相比于傳統(tǒng)大棚，提高了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、自動(dòng)化。

1 硬件設(shè)計(jì)

光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控裝置包括太陽(yáng)能供電單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)接收單元和執(zhí)行單元^[5-6]（圖1、圖2）。太陽(yáng)能供電單元由薄膜太陽(yáng)能電池板連接太陽(yáng)能控制器和蓄電池組成，太陽(yáng)能控制器控制蓄電池的充放電，蓄電池為數(shù)據(jù)接收單元和執(zhí)行單元供電，太陽(yáng)能電池板的選擇可以根據(jù)電池板放置的地點(diǎn)不同而選擇晶體硅和薄膜電池，如果電池板固定在大棚的頂端，最好選擇透光性好的薄膜太陽(yáng)能電池板或選擇性透光電池板，否則選擇價(jià)格低廉的晶體硅太陽(yáng)能電池板進(jìn)行供電；數(shù)據(jù)采集單元由土壤溫度傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器、大氣壓力傳感器、濕度傳感器、單片機(jī)、無線發(fā)射模塊組成，在PCB板上順序電連接各傳感器、單片機(jī)、無線發(fā)射模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元，每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元的電力均由無污染蓄電池提供，定期用太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電；數(shù)據(jù)接收單元由無線接收模塊、單片機(jī)、顯示屏、按鍵、CAN總線、計(jì)算機(jī)接口組成，在PCB板上順序電連接無線接收模塊、單片機(jī)、顯示屏、按鍵、CAN總線、計(jì)算機(jī)接口構(gòu)成數(shù)據(jù)接收單元。數(shù)據(jù)接收單元通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析，同時(shí)也能接收計(jì)算機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。執(zhí)行單元由驅(qū)動(dòng)電路連接電機(jī)、LED補(bǔ)光燈組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、卷簾、滴灌設(shè)備。其中，LED補(bǔ)光燈由紅色LED、藍(lán)色LED先串后并組成。

選擇高標(biāo)準(zhǔn)、無污染蓄電池，通過太陽(yáng)能控制器為裝置供電，數(shù)據(jù)采集單元的n個(gè)經(jīng)過編號(hào)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)將采集到的溫濕度等環(huán)境參數(shù)通過無線發(fā)送，數(shù)據(jù)接收單元中單片機(jī)依次接收采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過CAN總線將簡(jiǎn)單處理后的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，通過執(zhí)行單元驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，達(dá)到閉環(huán)控制；用戶根據(jù)植物品種不同，設(shè)置相應(yīng)的上限參數(shù)^[7-8]。

2 軟件設(shè)計(jì)

本光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控裝置下位機(jī)（數(shù)據(jù)采集模塊）軟件由KEIL C按模塊化設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能包括無線初始化、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送等。考慮到光伏農(nóng)業(yè)工程較大，大面積、長(zhǎng)距離的無線數(shù)據(jù)傳輸無法實(shí)現(xiàn)，故數(shù)據(jù)采集采用無線技術(shù)和CAN總線技術(shù)互補(bǔ)形式，在最低級(jí)節(jié)點(diǎn)采取無線采集和發(fā)送，高端級(jí)別的節(jié)點(diǎn)采用CAN總線采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)高端級(jí)別的節(jié)點(diǎn)能接受上位機(jī)發(fā)送的命令，并能執(zhí)行。

上位機(jī)系統(tǒng)由2部構(gòu)成，控制監(jiān)控系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)功能框見圖3。上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集座100 m2的大棚數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)光、照明用等用途。多余電量也可以并網(wǎng)賣給國(guó)家。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控裝置，開發(fā)了上位機(jī)軟件，并對(duì)光伏與LED等的匹配進(jìn)行評(píng)估，記錄了影響環(huán)境因素的各個(gè)參數(shù)并作了分析。

本裝置適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)，特別是無市電的大棚和溫室，無法進(jìn)行環(huán)境參數(shù)測(cè)量和控制的地方使用。

根據(jù)該裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)，合理調(diào)控環(huán)境的各個(gè)參數(shù)，充分利用太陽(yáng)能光伏優(yōu)勢(shì)，能夠提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞：光伏農(nóng)業(yè)；環(huán)境檢測(cè)；溫度；設(shè)施農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)：X382 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2014）08-0316-03

1 硬件設(shè)計(jì)

2 軟件設(shè)計(jì)

本光伏農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)控裝置下位機(jī)（數(shù)據(jù)采集模塊）軟件由KEIL C按模塊化設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能包括無線初始化、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送等?？紤]到光伏農(nóng)業(yè)工程較大，大面積、長(zhǎng)距離的無線數(shù)據(jù)傳輸無法實(shí)現(xiàn)，故數(shù)據(jù)采集采用無線技術(shù)和CAN總線技術(shù)互補(bǔ)形式，在最低級(jí)節(jié)點(diǎn)采取無線采集和發(fā)送，高端級(jí)別的節(jié)點(diǎn)采用CAN總線采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)高端級(jí)別的節(jié)點(diǎn)能接受上位機(jī)發(fā)送的命令，并能執(zhí)行。