南疆低成本番茄溫室智能控制系統

武小衛，朱悠然

（1.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

南疆低成本番茄溫室智能控制系統

武小衛1，2，朱悠然1，2

（1.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

南疆地區晝夜溫差大，蔬果資源欠缺，急需發展溫室大棚等設施農業。目前，當地農戶日光溫室大棚取得了一定的經濟效益，但仍存在生產效率低下，溫室結構簡單等缺點。文章針對溫室大棚的控制問題及南疆地域特色并依據智能溫室內部的光照、溫度、濕度、土壤濕度等環境條件，設計了一種南疆低成本溫室控制系統。采用反饋調節模式，使調節反應速度快、準確度高；結合番茄生長特點采用滴灌式水肥控制方案，能精確控制水肥供給與番茄根部水肥遷移規律。相比于傳統日光溫室，該溫室具有建造綜合成本低，操作性高，便于控制，資源利用率高等優勢。

南疆；溫室；智能控制系統；設計

南疆以種植業為主，但冬季寒冷夏季炎熱，環境惡劣，風沙大，光照、溫濕度等不好調控。而目前日光溫室存在采光率低，墻體的通風排氣性能不足，土壤水含量不確定等問題，致使在增產效益中投資高，能源消耗大。同時日光溫室可利用面積小，產品的質量、產量低，導致蔬菜成本加大，當地夏冬季蔬菜菜價高，供需矛盾增加。

為了提高當地農民經濟效益和改善溫室可操作性能，有必要對日光溫室進行改進。本設計通過對日光溫室存在的土地占有率低、產量有待提升、通風排氣和可操作性及自動化性能較差等問題進行科學、客觀的分析，探討性地提出了采用針對南疆地區普通日光溫室與智能控制系統相結合的方法進行設計，進而有效改善新疆南疆地區日光溫室產量低、經濟效益不高的問題，提高夏冬季蔬菜產量和質量，減小生產成本，從而從根本上解決新疆南疆地區夏冬季產量與市場的供需矛盾。

1 系統總體設計思路

系統主要以STC89C52RC單片機為控制核心，整個系統由空氣溫濕度控制模塊、土壤濕度控制模塊、光照補償控制模塊組成。空氣溫濕度模塊的工作模式為：用戶設定溫濕度標準值，當環境溫濕度偏離標準值時，控制設備自啟動。土壤濕度控制模塊的工作模式為：利用YL-69濕度傳感器測出濕度模擬數據，與設定的標準值作比較，當測量值偏離設定值區間時，啟動控制水泵。光照補償控制模塊的工作模式為：設定一個光照傳感器有效動作的區間段，在此區間段內，當溫室大棚內的光照不足時，光敏電阻發出動作信號，控制繼電器模塊，繼電器模塊再控制補光系統開始補光，到達設定的時間后，自動停止補光。

2 系統硬件設計

（1）控制核心模塊。主CPU電路選用STC89C52RC系列單片機，如圖1所示。STC89C52RC是采用經典的MCS-51內核，同時還具備傳統51單片機所沒有的功能。最高工作時鐘頻率為35MHz，片內含8K字節的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。512字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時計數器，4個外部中斷，全雙工串行口。工作電壓：3.3-5.5V,工作溫度范圍：-40～+85℃（工業級）/0～75℃（商業級），采用PDIP封裝。

圖1 STC89C52RC最小系統

（2）空氣溫濕度控制模塊。空氣溫濕度控制模塊主要利用DHT11數字溫濕度傳感器作為數據采集終端，整個控制模塊完全采用總線控制方式以及串行口通信協議。數據的分析與處理主要由STC89C52RC單片機來完成。模塊由控制電路、顯示電路以及按鍵電路構成，其中按鍵電路主要用來鍵入溫濕度準確值，1602用于數據顯示和提示用戶，控制器用于調節和控制不符合要求的溫、濕度。HT11數字溫濕度控制電路如圖2所示。

圖2 DHT11溫濕度控制電路

（3）自動灌溉控制電路的設計。自動灌溉系統采用STC89C52RC單片機來實現。設計電路如圖3所示。當自動灌溉系統打開運行之后，首先會進行初始化狀態，并獲取人工設定的濕度值。主循環判斷當前濕度大小，判斷當前的濕度是否低于設定值，假如低了，繼電器將驅動水泵進行抽水灌溉。另外由于干擾的存在及傳感器輸出的信號相對較弱，需要在軟件設計中加入抗干擾措施。

圖3 土壤濕度控制電路

（4）光照補償控制模塊的設計。光照是植物生長的必要條件之一，植物的生長與光照時間有著極為密切的關系。南疆地區的春季會持續長時間的沙塵暴天氣，植物生長往往會面臨光照不足的問題，因此有效地利用人工補光手段來促進植物的光合作用具有極為重要的意義。設計電路如圖4所示。

圖4 光照補償控制模塊電路圖

3 系統測試與實驗

3.1 材料與方法

（1）試驗材料。設計完成的單片機控制系統如圖5所示。由于只需要測試系統的性能參數并為了降低實驗成本，因此選用小型溫室大棚來進行測試實驗。實驗地點為塔里木大學現代農業工程重點試驗棚。本次試驗采用了16個DHT11數字溫濕度傳感器，分別布置在距離作物垂直高度的50cm處的位置并在空間位置上呈對稱均勻分布；棚內土壤中共布置了36個YL-69濕度傳感器，傳感器插入土壤中約3.5cm處的位置，橫向距離每隔1.5m布置一個YL-69濕度傳感器，縱向距離每隔1m布置一個；光照補償模塊采用了6個光敏電阻傳感器，分別布置在試驗棚的四角及中心位置處；試驗棚還裝設了5組噴淋系統、3個風扇和8套LED補光燈，用于棚內的溫濕度補償及光照補償。

圖5 濕室控制電路實物

（2）試驗方法。本實驗在作物實際生長的試驗環境條件下進行系統的模擬測試，整個系統測試采用非全天候分時段的測試方法。試驗前先對各個子系統的初值進行設定，棚內溫度范圍是24.5～27.5℃ ，棚內濕度范圍是45.5%～55%，土壤濕度范圍是55%～65%，光照補償有效時間大約為2h，并設定光照補償模塊的有效補光的起始時間是北京時間22點整。主要的輔助補償設備有換氣扇、加熱裝置、噴淋裝置、滴灌裝置、補光裝置。由于各種補償裝置起作用需要一定的緩沖時間，因此系統采用定時條件下的自啟動控制模式。每天從早上九點開始每隔一小時對系統的監測數據記錄一次，到凌晨兩點時記錄結束，全天持續記錄17個小時，共記錄17組有效數據，測試結果如表1所示。

表1 南疆低成本智能溫室控制系統的測試數據

3.2 結果與分析

由于環境的晝夜溫差較大，測試系統得到了較為明顯的試驗結果。由表1可以看出系統從九點開始測定棚內環境數據指標，此時棚內的溫濕度數據指標在設定的范圍之外，噴淋裝置和加熱裝置處于開啟狀態，而土壤濕度在設定的范圍之內，水泵處于關閉狀態。光照補償模塊未到啟動時間，處于關閉狀態。此后棚內的溫濕度開始進入到上升狀態，11點時溫濕度模塊關閉，而土壤濕度模塊開啟。由于系統的工作狀態具有一定的延遲效果，所以伴有一定的遲緩性。系統的整體執行效果使棚內的環境值基本保持在設定范圍之內。

4 結語

（1）系統設計基本達到了預期的效果，整體運行穩定，總體造價遠低于全套智能一體化溫室大棚控制設備。

（2）系統在大棚的環境條件下依然能夠正常運行，因此該系統具有一定的推廣價值。

（3）該系統還缺乏大量的試驗數據來作為系統穩定性的條件支撐，還需進一步進行區域化的推廣應用來不斷積累數據。

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［4］覃貴禮.智能溫室控制系統的研究與開發［D］.南寧：廣西大學，2012.

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Low Cost Intellective Controlling System in Tomato Greenhouse for Southern Xinjiang

WU Xiao-wei1，2，ZHU You-ran1，2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300，China；2.The Key Laboratory of Colleges&Universities under the Department of Education of Xinjiang，Alar，Xinjiang 843300，China）

Southern Xinjiang,where the climate with large temperature difference day and night,lack of fruit and vegetable resources，it is urgent to develop greenhouse and other agricultural facilities.At present，the local farmers have obtained a certain economic benefits by using sunlight greenhouse，but low productivity and simplicity in greenhouse structure should also be solved. Aiming at the control problem of greenhouses，the regional principles of southern Xinjiang and the lighting,temperature，humidity，soil moisture and other environmental conditions of intelligent greenhouse，this paper designs a low-cost greenhouse control system for southern Xinjiang.Using the mode of feedback，it has advantages of faster speed and higher degree of accuracy；using the control scenario of drip fertigation with the characteristics of tomato growth，and can more accurately control the supply of water and nutrients and the transformation of water and nutrients in tomato.Compared to traditional solar greenhouse，the greenhouse is with lower cost，higher operability，easier to control and higher resource utilization.

southern Xinjiang；greenhouse；intelligent control system；design

S24；S-3

A

2095-980X（2017）06-0080-02

2017-04-17

大學生創新訓練計劃項目（2016033）。

武小衛（1993-），男，河北張家口人，大學本科。