基于分時電價的助農車智慧棚

王振+王潔

摘 要：針對現階段農業生產中存在的問題，文中設計了基于分時電價的助農車智慧棚。系統采用CC2530處理器作為控制中心，通過各種傳感器能實現對室內外環境因子的監測、數據顯示和采集，不僅無需人工干預和操作，還可預防自然災害，監測是否存在擁有非法動機的人群或者動植物的入侵行為。

關鍵詞：分時電價；助農車智慧棚

1 作品簡介

（1）控制系統

根據設計要求，我們認為此設計屬于多輸入量的復雜程序控制問題。據此，擬定了以下方案并進行綜合論證。采用單片機作為整個系統的核心，控制系統內的各個變量，以實現既定的性能指標。在IAR集成開發環境下，由STM32單片機作為本設計的主控裝置。

（2）助農車模塊

所有裝置都安裝在小車上，由電動機驅動小車前進。采用齒輪、雙輪差動驅動，地面灰度傳感器通過識別地面的黑線來移動，將小車放在黑線上，黑線居于兩個地面灰度傳感器中間，通過程序控制，利用兩側車輪的轉速差實現行進。

水泵安裝在小車前部，通過單片機程序調整水泵轉速，對泵壓進行調節，以適應不同高度的噴施作業，可通過開關自動控制噴藥施肥的高度。小車后部安裝兩根豎翼，在豎翼上安裝處于不同位置的噴頭，藥肥在水泵壓力下，通過噴頭噴灑到植株葉面。噴藥的噴頭可以自動旋轉，使噴藥更為均勻。小車功能的實現都由程序控制，可隨時根據需要修改程序，以調整機器適應實際工作條件。在不噴藥施肥時，通過安裝在小車上的攝像頭對整個大棚進行監測，并將其監測畫面傳送到電腦上，方便實時查看。

（3）智慧棚模塊

該系統采用CC2530處理器作為控制中心，通過各種傳感器能實現對室內外環境因子的監測、數據顯示和采集。

通過反饋系統，根據室內外氣候條件的變化，可對溫室的天窗、側窗、遮陽幕、鼓風機、加熱器等設備進行精細控制，完成溫室的通風降溫、除濕、加濕、遮陽保溫、智能加溫、空氣繞流、補光補氣、科學灌溉、施肥、抗風、防雨雪、pH值、EC值的檢測與調節、故障報警等功能。為溫室種植提供更易管理，便于操作的全新方法。

（4）其他輔助模塊

分時電價由程序實現，當達到某些條件時，自動選擇最近一段電量最低的時間段進行操作；顯示模塊采用最小系統中的TFT LCD顯示；由電源模塊太陽能板供電，清潔能源低碳環保。

2 工作原理

因為溫室蔬菜基本都呈直線排列，且植株高度在同一時期基本一致，所以文中設計了一款采用STM32處理器的基于分時電價的太陽能智能噴藥施肥機，通過CC2530處理器控制電機驅動、無線遙控、傳感器檢測、指示燈顯示等；上位機采用2410處理器，負責圖像處理、無線傳輸等。下位機部分包括傳感器采集模塊、電機控制模塊、無線電接收發送模塊、燒寫調試模塊。該小車搭載有儲存藥肥裝置和水泵，水泵可以自動泵藥。藥液噴灑濃度和面積都可以通過噴頭設置。藥液噴灑的高度可以通過豎翼的位置進行調節。小車的運行路線可以由程序設置，由安裝在小車前側的尋線傳感器控制和實現，小車的行進速度由程序設置。小車可以實現自動轉彎功能，對一整間溫室大棚植株進行噴藥施肥，期間無需任何人工干預和操作，極大地提高了智能化程度，降低了危險性。為了節約能源，減少污染，小車動力源采用太陽能蓄電池。

大棚內環境的監測與控制由傳感器實現。該系統采用CC2530內核作為控制中心，通過溫濕度傳感器、壓力傳感器、熱式紅外傳感器等模塊實現對大棚內的溫度、光照、二氧化碳濃度等的智能調試，考慮到作物反饋作用機制，方便對大棚內的環境進行適當調節。當環境溫度超過28℃或者二氧化碳濃度達到一定量時，大棚的窗戶會自動打開進行散熱和通風。液晶屏上顯示有溫度、濕度、壓力、紅外、麥克、分時電價等，可實現實時監測。對于壓力傳感器，可以稱重噴藥施肥機中水的重量，或者農作物收獲時的蔬菜等作物重量。另外智能大棚中增加了安全設施，包括無線攝像頭、紅外檢測和報警設施。以此來預防自然災害、有非法動機的人群或者動植物的入侵行為。

3 創新點

創新點一：分時電價

我們設計的系統可以與電網主站進行信息交互，實時獲取最近的分時電價信息。然后根據分時電價信息制定電源投入運行時間段控制策略，從而保障居民用戶的電費開支最低。白天當光照強度高于一定值時，啟動電動遮陽簾，當晚上的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度低于一定值時，在最近的一段分時電價區域中選擇電費最低的階段運行電子加熱器、電動水泵、植物生長燈與換氣風扇，實現智能能量管理系統節能降耗的功能。

創新點二：閉環反饋

閉環控制是控制論的一個基本概念，作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響。通過溫濕度傳感器、壓力傳感器、熱式紅外傳感器等模塊實現大棚的自動化控制。當環境溫度超過28℃或二氧化碳濃度達到一定量時，大棚的窗戶會自動打開進行散熱和通風。當外界無光照時，開啟植物生長燈，提供植物所需的光照時間。

4 市場前景

現代溫室是設施栽培技術的最新發展，采用控制環境的方法，使植物常年具有良好的生長環境。由于不同的植物有不同的環境需求，而同一植物在不同階段對環境的要求也不同，因此建立不同的溫室作物生長模型十分必需和追切。但作物模型的研究是一個難題，需要多個生產周期的研究和實驗積累與較長時間的數據采集，國內對這方面的研究剛剛起步。由于溫室內的作物生長是溫度、光照和濕度等生長環境因子綜合作用的結果，故不能將這些因子分開，單獨、靜態地考慮，而應從整體上動態研究環境控制問題，即研究如何以一種比較經濟的環境控制方法較好地滿足植物工廠化生產的需要，這是提高現代溫室生產經濟效益需要研究解決的問題。

在信息化和網絡化的今天，現代化溫室系統應該充分利用網絡資源，實現資源和數據的共享，隨時掌握國內和國際市場動態，制定出最佳的種植計劃。溫室遞階分布式信息系統的下位機包含多變量控制、遠程控制、完成每日數據記錄等功能。其監控計算機中安裝有莊稼管理系統，包括數據分析（多變量分析、譜分析、圖像分析），系統分析（控制理論、系統動力學、系統工程），三維圖像系統（CAD、圖像處理、圖像數據捕獲），數據庫（氣候、莊稼、溫室、控制等），規則庫（莊稼、氣候、 疾病、市場等），網絡（局域網、國內網、國際網），控制系統（物理特性、莊稼測量、肥水控制等），農業專家系統（推理系統、用戶界面），作物長勢分析（葉、莖、果實、產量預測）等。endprint

溫室系統的控制過程及干擾模型是未知的，且難以辨識，具有許多不確定性，例如外部氣候突然變化，災害天氣突然出現等。因此用傳統的控制方法難以建模，難以有效控制溫室過程控制中諸多高度非線性問題。傳統控制理論雖然也有一些非線性控制方法可用，但非線性理論遠不如線性理論成熟，加之溫室控制過程的復雜性，使得這些非線性理論難以實用。溫室生產過程存在許多半結構化與非結構化問題，難以建立定量分析的數學模型，因此傳統采用微分方程、狀態方程的數值計算方法只局限在簡化和近似的不精確范圍內，難以實現精確控制。

溫室生產過程的各子系統之間關系錯綜復雜、相互制約，如作物模型和環境控制的制約關系、環境控制和經濟運行成本的耦合關系等，更重要的是種植規劃制定和溫室系統運行脫離不了人為因素，而人的行為又帶有主觀性質，所以溫室控制過程存在許多不可確定性問題。總之，溫室生產過程具有客觀復雜性和認識復雜性，是一個復雜過程系統，因此，對溫室的控制需運用復雜系統理論提供的新概念、新方法解決其不確定性、不精確性、部分事實、非線性、強耦合等問題。加強控制理論同生產實際的密切結合，引入智能化方法、智能技術以及知識工程方法，形成不同形式的既簡單又實用的控制結構和算法，形成包括計算機監控系統在內的人機智能系統，是溫室先進控制的發展方向。

我國現代化農業是在機械化、信息化發展極其薄弱的基礎上發展的。智慧農業在外部環境下，被賦予了更多統籌協同思想和更高期望。智慧農業需要充分利用信息技術，包括更透徹的感知技術、更廣泛的互聯互通技術和更深入的智能化技術，使得農業系統的運轉更加有效、智慧，以期達到農產品競爭力強、農業可持續發展、有效利用農業資源和環境保護的目標。

以應用（硬件和網絡平臺以及服務）為基礎的智慧農業市場有望從2016年的90.億美元達到2022年184.5億美元的規模，年均復合增長率達13.8%。對農業新技術的進一步采用和全球對食物需求的上升是該市場增長的主要驅動力。連接技術運用于精準農業、畜牧業監測、漁業、智慧溫室等領域。諸如云計算、ZigBee無線通訊技術、無線感應網絡以及其它連接技術可以提升產量產能。云計算提供農場土地的實時數據，以協助規劃、購買、存活管理、種植、收割等。感應器、灌溉控制、可變速率技術（VRT）以及其它技術可以幫助減少投入并提升土地的產出。

GPS/GNSS有望占據2015年智慧農業中硬件和網絡平臺市場中的較大份額。GPS用于拖拉機導航、可變速率技術、土壤條件監測、畜牧養殖跟蹤等。GPS技術提供多項優勢，諸如將重疊操作和噴施隔離的范圍最小化，減少肥料使用，降低化學農藥的開支，并最大程度降低對環境的影響。

精準農業應用有望占據智慧農業市場應用領域最大市場份額。智慧農業優化農田使用效率以及使用中的操作。精準農業可幫助種植者將農田進行區塊劃分，根據不同區塊進行不同操作，以最大化產量，最小化投入成本。產量監測是精準農業的重要組成元素，通過設置在收割機中的感應器觀測濕度以記錄特定區塊的產量數據。

系統整合器在軟硬件設備整合中具有重要作用，所以在農業服務領域占據較大的市場規模。系統整合器也用于解決問題以及診斷農業管理解決方案，而這也用于開發與軟硬件設備相關的新概念。2022年北美有望占據最大的市場份額，亞太地區在該預測期間有望取得最高的復合增長率。北美地區是精準農業操作的先驅者之一，隨著技術不斷改進，設備售價逐步降低，考慮到社交媒體的運用以及在線媒體的傳播等因素，北美地區對連接技術的使用目前正在不斷增長中。

該領域的主要代表包括約翰迪爾（美國），Trimble（美國），Ag Junction（美國），Raven（美國）及AGCO（美國）。這些公司采用不同的戰略攻占市場，例如新產品開發、合作、業務擴張等。endprint