無線大棚溫度調節系統的設計

王軒力

(山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

0 引言

由于植物的生長需要維持在一定的溫度范圍內，溫度過低或過高都會影響其正常生長，因此需要對大棚內的溫度進行調節。目前的調節方法是在塑料大棚的上部開通風口，使棚內的空氣與外界的空氣形成對流，從而對大棚內溫度進行調節，該方法不僅溫度調節效率低，調節效果不好，并且需要人工隨時對通風口的開度進行調整，耗費較多的人力。本文設計了一種無線大棚溫度調節系統，不用人去現場調節大棚溫度，實現了真正意義上的物聯網+農業的全新農業新模式。

1 無線大棚溫度調節系統組成

本系統是將大棚溫度調節裝置安裝在大棚里面，然后再配置無線網，使這個裝置和無線網相連，在手機端安裝相應控制APP，或者在電腦上安裝相應上位機控制軟件，可以設置相應溫度，若裝置傳感器檢測到大棚溫度太高，會發送相應信息給手機或者上位機電腦，若達到溫度上限，手機或者電腦會通過無線網給裝置發出指令，開啟電磁閥來調節溫度。這樣就不用到現場去實際操作，方便了種植者。

本系統由大棚、無線傳輸部分、控制終端部分三部分構成，如圖1所示。

(1) 大棚：在溫室大棚中，保持棚內溫度在一定范圍內是維持農作物生長的主要條件，本系統通過水和空氣來控制溫度，通過模仿電腦的風扇降溫和水降溫兩種模式實現溫度的調節。

(2) 無線傳輸部分：由于種植的農作物處于野外或者其生長環境不利于安裝有線網絡，因此本系統考慮采用無線網將種植農作物所處環境的溫度傳輸到控制終端。在此可以選擇多種無線傳輸模塊，如藍線模塊、Zigbee模塊、wifi模塊等，本文結合具體環境、實用方便以及經濟等多方面因素采用Zigbee模塊。Zigbee技術是一種近距離、功耗低、復雜度低、成本低的雙向無線通信技術，廣泛用于控制對象分散、傳輸數據頻繁的環境中。

圖1 無線大棚溫度調節系統

一個農作物或者多個農作物使用一個大棚調節裝置，大棚調節裝置帶有一個溫度傳感器，由溫度傳感器采集農作物的實時溫度，通過連接的Zigbee模塊傳輸到無線MESH路由器(一個大棚放置一個MESH路由器，因為MESH路由器可以連接多個Zigbee節點)，通過MESH路由器接入IP網絡，然后傳輸到控制終端，完成數據的上傳。同樣，控制終端接收到溫度信號后，檢查溫度是否超過設定的農作物上限溫度，如果超過，則發出指令信號，通過IP網絡、無線MESH路由器、Zigbee節點最終傳回大棚溫度調節裝置，然后控制電磁閥打開送水裝置來達到降溫的目的。Zigbee傳輸示意圖如圖2所示。

(3) 控制終端部分：控制終端部分可以選擇手機或者電腦。由于采集到的是農作物溫度數值，如果按秒采集，則數據量太大無法處理，因此考慮每分鐘采集一次。首先設計一個軟件，將適宜農作物生長的溫度的上限值記錄下來，將每分鐘采集一次的溫度數值與該上限數值做比較，如果大于這個數值，則軟件發出一個指令信號，這樣就完成了一次的溫度采集和控制操作。將經過比較的溫度數值存儲到一個數據庫中，同時記錄下相應的時間，當每天結束時軟件按照數據庫中的相應數據自動生成一個圖表，根據這個圖表，可以知道農作物在什么季節什么時間溫度容易超過上限值，同時還可以判斷出農作物新品種的最適宜生長溫度。

圖2 Zigbee傳輸示意圖

2 大棚溫度調節裝置的設計

現有的大棚是通過水路循環對大棚內的溫度進行調節，即預先將水路管道埋在地下，從而進行溫度調節，該方法需要付出較大的勞動力，費時費力，不便于實施。通過研究以前的大棚溫度調節裝置的特點，本文設計了一種電子機械裝置的降溫設備，如圖3所示。

1-金屬扎桿；2-刻度標尺；3-電磁閥；4-進水管；5-散熱片；6-卡槽；7-膠塞；8-防護墊；9-中空圓盤；10-出水管；11-冷卻管；12-信號發射器；13-溫度傳感器；14-限位臺；15-導向套；16-緊固螺釘；17-固定套

2.1 設備結構

本設備由主體裝置和溫度調節裝置組成。主體裝置由金屬扎桿1、刻度標尺2、信號發射器12、溫度傳感器13、緊固螺釘16和固定套17組成，溫度傳感器13置于金屬扎桿1的一端，且通過導線和信號發射器12相連接，所述信號發射器12置于金屬扎桿1內，其天線和金屬扎桿1連接，固定套17通過緊固螺釘16置于金屬扎桿1上，金屬扎桿1上置有刻度標尺2。溫度調節裝置由電磁閥3、進水管4、散熱片5、卡槽6、膠塞7、防護墊8、中空圓盤9、出水管10、冷卻管11、限位臺14、導向套15、通水孔、水腔和隔水板組成，中空圓盤9通過導向套15置于金屬扎桿1上，中空圓盤9內置有水腔，并開有卡槽6，防護墊8置于卡槽6內，中空圓盤9上置有多個膠塞7，冷卻管11的一端穿過膠塞7，限位臺14置于冷卻管11的另一端，隔水板置于冷卻管11內，冷卻管11的一端上開有兩個通風孔，且分別位于隔水板的兩側，進水管4的一端置于中空圓盤9上，且與中空圓盤9相連通，電磁閥3置于進水管4的另一端上，出水管10的一端置于中空圓盤9上，且與中空圓盤9相連通，多個散熱片5置于中空圓盤9上。

2.2 使用原理

使用時，首先根據需降溫土層的深度確定固定套的位置，然后通過緊固螺釘將固定套固定在金屬扎桿上，將進水管通過電磁閥接入外部水路，將出水管接入外部水路，并將電磁閥與外部監測控制中心連接，然后使中空圓盤貼在地面上，將金屬扎桿扎進地面深處，并且將所有的冷卻管也扎進地面深處，沿著膠塞滑動冷卻管，使冷卻管一端的兩個通水孔置于水腔內，從而使冷卻管通過兩個通水孔與水腔相連通，將周邊的植物莖卡進卡槽內，接通電源，溫度傳感器對地面深處的溫度進行檢測，并且通過信號發射器將檢測的信號傳遞給外部物聯網平臺。當溫度較高需要調節時，外部物聯網平臺控制電磁閥打開，水通過電磁閥進入進水管內，然后流進水腔內，水腔內的水分別通過多個冷卻管一端的一個通水孔流進多個冷卻管內，在多個冷卻管內沿著隔板循環一周后流回水腔內，然后通過儲水管流回外部水路中，從而對地面深處進行冷卻降溫；當外部監測控制中心觀測到不需要對大棚內溫度進行調節時，控制電磁閥關閉。當水流進水腔內時，散熱片能夠對水進行一定程度的散熱降溫，防護墊能夠防止對周圍植物莖造成傷害，而信號發射器的天線與金屬扎桿連接的設計能夠提高信號發射器的傳輸信號強度，膠塞的設計使得在冷卻管不插入的時候處于密封狀態，固定套的設計能夠根據需測地面的深度進行調節，達到對農業大棚內深度土層進行冷卻降溫的目的。

3 結論

本文通過分析以前的大棚溫度調節系統的缺點，結合現在的物聯網+農業新模式設計了無線大棚溫度調節系統。首先通過溫度傳感器采集土壤溫度，然后用無線網發射信號到控制終端部分，最后通過控制溫度調節裝置的電磁閥，使電磁閥彈起讓水流入冷卻管內，達到降溫的目的，本系統真正實現了溫度的智能調節。