基于綠色制造的多維度農業生態智能控制系統設計

黃焰 祝勛

摘 要：根據新時代農業生產需要在有限空間內，進行多層次，多維度智能化管理需求，設計了一種基于綠色制造的多維度農業生態智能控制系統。該系統具有溫度、濕度、亮度自動控制功能，同時具有CO2濃度檢測、自動灌溉功能。該系統采用單片機完成信號采集，信號放大，信號處理，AD轉換，并開發了數據顯示，通過無線通信網絡實現遠程控制。并著手于開發該系統的神經網絡學習功能，以加強該系統的通用性和可開發性。

關鍵詞：綠色制造;多維度農業生態系統;光照檢測

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.36.104

0 引言

我國一直以來就是農業大國，可是跟經濟發展快速的國家還是有非常明顯的差距。目前人多地少，土地分散，天氣、氣候等多種不穩定因素影響下，導致不能完全大規模實現農業機械化。

農業現代化的改革要求迫在眉睫。如何利用有限的土地資源，有效增產，種植更多經濟效益更高的農作物以提高農民的收入，這些都是急需解決的問題。文中設計的基于綠色制造的農業生態環境智能控制系統，可高效利用土地資源，將溫室大棚分層次，分區域，通過各種傳感器與控制系統，保障各種農作物的生長環境，達到更好的種植效果。

1 多維度農業生態系統的設計

根據現階段農業生產的調研，種植的農作物種類以及各種農作物的生長習性存在多樣性和各異。如生長成熟周期，喜陰還是喜陽，對灌溉、通風條件、日照時間等的需求各不相同。如圖1所示設置多維度農業生態系統，可種植糧食作物、花卉、中草藥等，最大程度利用大棚的土地資源與空間資源。采用薄膜型太陽能電池作為大棚的頂棚，利用光伏發電技術提供大棚所需的部分用電。在基于用戶參數設定下控制系統，在大棚中集成光照度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器等，對溫度，濕度，照度生存環境因素進行檢測。產生的傳感信號通過單片機的控制端口輸出，并對相應的設備進行控制，可實現大棚內恒溫恒濕的條件，并有針對性的實施補充光照、灌溉、通風等操作，制造出適合作物生長的環境。

1.1 多維度農業生態系統環境因子的選取

各種作物的生長發育及最終形成，其產量與質量取決于作物本身的遺傳特性以及外部生存環境條件。影響多維度農業生態系統中各種作物的生長發育的環境因素主要包括：溫度、濕度、光照條件、CO2濃度等。在進行多維度農業生態系統的設計過程中必須主要考慮這些變量的相互作用，并利用自動控制系統對這些環境因子加以控制，以滿足該系統的多樣化需求。

作物生長發育對溫度最為敏感。隨著一天中光照強度的變化，實行變溫管理是一種很有效的管理方法。另外需根據溫室中所種植的作物的種類進行適當調節，設置最適于棚內作物生長需要的溫度條件。空氣相對濕度的大小直接影響到作物的光合作用，合適的濕度有助于作物生長和控制病蟲害影響。另外還需對土壤濕度進行管理，可以把滲灌、滴灌、微灌等灌溉技術應用到生態系統中來。對作物生產的影響的光照強度、光照時間、光質，可通過在生態系統中安裝人工光源，并根據作物生長需要和外界環境檢測的結果，適當補充光照條件。CO2是作物進行光合作用的主要原料，為使作物獲得最大生長率的使作物獲得最大生長率的CO2濃度，取決于作物的生長階段的光照強度、溫度等因素。

生態系統中各環境因子之間存在著強烈的相互作用，作物是在各環境因子的綜合影響下生長的，而不是單個因素作用的結果，因此在設計生態系統的控制系統過程中需要進行各方面的綜合考量。

1.2 智能農業生態溫室環境控制系統

在考慮了多維度農業生態系統的環境因子后，根據大棚中常見作物的劃區分類，輔以常用控制設備，確定了溫室環境調控設備：（1）光照系統。（2）通風系統。（3）溫度調節系統。（4）CO2濃度控制系統。（5）灌溉系統。

1.3 多維度農業生態系統中使用的傳感器

多維度農業生態系統系統所需要的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳（CO2）傳感器、光照強度傳感器。根據實際情況及成本考量，選擇了較為常見的器件，具體的傳感器選型見表1。

2 智能農業生態系統硬件電路設計

2.1 系統設計思路

本系統是以單片機為控制核心。通過濕度傳感器、溫度傳感器、CO2傳感器，光電池，完成對多維度農業生態系統內的環境因子的測量，將采集數據輸入到單片機中。由單片機根據接收到的各項信號，控制繼電器、電磁閥以及相應的控制電路，完成光照補充、溫度控制、濕度控制、CO2濃度監測、灌溉系統控制，以達到自動調控多維度農業生態系統內環境因子參數的目的。同時系統還設計了可調按鍵，通過按鍵可人為地設定合適的參數，便于根據不同的作物的環境中調節使用。

2.2 系統的組成和工作原理

硬件系統主要有數據采集、數據分析、數據處理三個部分組成。（1）數據采集由濕度傳感器、溫度傳感器、CO2傳感器、光電池組成。（2）數據分析由單片機基本系統組成。（3）數據處理由顯示系統以及繼電器控制電路組成，系統設計框圖如圖2所示。

2.3 部分硬件功能的實現

2.3.1 光照度檢測系統

選用測量線性度較好的光電池作為光強探測元件，并將光電池檢測到的光電流信號，使用三極管放大，并轉換電壓形式，可以保證信號有更好的線性關系。

2.3.2 AD轉換部分

使用8位主次逼近型AD轉換器對輸入的模擬信號進行轉換，然后將轉換的數據量輸入單51單片機中進行數據處理。

2.3.3 顯示模塊設計

采用LCD1602工業字符型液晶，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。

采用單片機的P0端口和LCD1602的D0到D7端口相連進行數據傳輸，LCD1602的RS、RW、E分別連接單片機的P2.0、P2.1、P2.2端口，控制讀寫操作。LCD1602的VL端口與10kΩ的電阻相連然后接地，用來調整對比度。

2.3.4 報警電路的設計

本系統采用聲光報警電路。溫度和濕度任何一個超過設定范圍，蜂鳴器均報警。設計選用二極管的亮滅顯示溫度或者濕度是否過限，這樣便于觀察，可以更加直接的確定是要升降溫還是要增減濕度，給工作人員減少了工作量。蜂鳴器報警電路是通過MCS-52的1根口線經驅動器驅動蜂鳴音發聲。

2.3.5 功能鍵的設計

本系統主要是對多維度農業生態系統中溫濕度進行自動監測和控制，但是為了管理人員的管理，系統使用鍵盤來設定溫濕度的上下限。

本設計采用四個按鍵，按鍵的功能如下：

S1：S1按鍵作為模式切換按鍵，按下S1按鍵可使系統在正常工作、溫度上下限調整模式、濕度上下限調整模式、CO2濃度上下限調整模式、照度上下限調整模式等模式間進行切換;

S2：S2按鍵平時作為向上翻一屏的顯示調整按鍵;進入調整模式是作為調整模式的增加按鍵，按下S2按鍵使相應調整模式下的上、下限值增大;

S3：S3按鍵平時作為向下翻一屏的顯示調整按鍵;進入調整模式是作為調整模式的減少按鍵，按下S3按鍵使相應調整模式下的上、下限值減小;

S4：S4按鍵平時作為顯示模式返回按鍵，按下該按鍵可使顯示界面返回主顯示界面;進入調整模式作為調整模式的上、下限選擇切換按鍵，按下S4按鍵選擇將要對相應調整模式下的上限或者下限值進行調整。

3 多維度農業生態系統軟件設計流程

搭建好硬件設施后，針對選取的測試環境因子，對程序進行了初步的設計，程序設計流程如圖4（a）～（e）所示。通過各種傳感器輸出的信號，通過單片機來控制相應的繼電器、電池閥等，實現了室內照明（補光）系統、通風系統、灌溉系統的自動控制功能。

4 誤差分析

（1）由于ADC產生的誤差，如采樣誤差、量化誤差、增益誤差、偏移誤差和失調誤差等。

（2）由輸入信號產生的誤差，由于輸入為模擬量，存在電源噪聲、電源穩壓、信號源阻抗、IO串擾、EMI噪聲和溫度變化的誤差等。

（3）由處理程序產生的誤差，處理數據為區間范圍，范圍的大小決定處理的精度，由于程序沒有對分辨率范圍內所有的數字進行分別處理，顯示照度與實際照度存在誤差。

（4）目前電路采用萬用板搭建，各個元件的干擾較大，線路布局和元器件的擺放都會影響輸入的模擬信號，后期需單獨制版完善電路功能。

（5）在校準過程中，數據是采用擬合方式處理的，擬合過程中會產生誤差。

5 結語

基于綠色制造的多維度農業生態智能控制系統的設計思路來源與生產實際需求，根據需要選取了合適的溫室控制因子，通過傳感器的實現了溫度、濕度、光照、CO2濃度的探測，并完成了后續的補光、增溫、灌溉等系統控制功能。現階段正嘗試通過無線傳輸系統實現遠程操控，制作專門的APP來實現對該生態系統的操控。

參考文獻

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