基于綠色制造的多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃焰 祝勛

摘 要：根據(jù)新時(shí)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要在有限空間內(nèi)，進(jìn)行多層次，多維度智能化管理需求，設(shè)計(jì)了一種基于綠色制造的多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有溫度、濕度、亮度自動控制功能，同時(shí)具有CO2濃度檢測、自動灌溉功能。該系統(tǒng)采用單片機(jī)完成信號采集，信號放大，信號處理，AD轉(zhuǎn)換，并開發(fā)了數(shù)據(jù)顯示，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。并著手于開發(fā)該系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)功能，以加強(qiáng)該系統(tǒng)的通用性和可開發(fā)性。

關(guān)鍵詞：綠色制造;多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng);光照檢測

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)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(nóng)業(yè)大國，可是跟經(jīng)濟(jì)發(fā)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(wěn)定因素影響下，導(dǎo)致不能完全大規(guī)模實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化。

農(nóng)業(yè)現(xiàn)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(chǎn)，種植更多經(jīng)濟(jì)效益更高的農(nóng)作物以提高農(nóng)民的收入，這些都是急需解決的問題。文中設(shè)計(jì)的基于綠色制造的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境智能控制系統(tǒng)，可高效利用土地資源，將溫室大棚分層次，分區(qū)域，通過各種傳感器與控制系統(tǒng)，保障各種農(nóng)作物的生長環(huán)境，達(dá)到更好的種植效果。

1 多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的調(diào)研，種植的農(nóng)作物種類以及各種農(nóng)作物的生長習(xí)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(fēng)條件、日照時(shí)間等的需求各不相同。如圖1所示設(shè)置多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，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(fā)電技術(shù)提供大棚所需的部分用電。在基于用戶參數(shù)設(shè)定下控制系統(tǒng)，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(huán)境因素進(jìn)行檢測。產(chǎn)生的傳感信號通過單片機(jī)的控制端口輸出，并對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)恒溫恒濕的條件，并有針對性的實(shí)施補(bǔ)充光照、灌溉、通風(fēng)等操作，制造出適合作物生長的環(huán)境。

1.1 多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因子的選取

各種作物的生長發(fā)育及最終形成，其產(chǎn)量與質(zhì)量取決于作物本身的遺傳特性以及外部生存環(huán)境條件。影響多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中各種作物的生長發(fā)育的環(huán)境因素主要包括：溫度、濕度、光照條件、CO2濃度等。在進(jìn)行多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tǒng)對這些環(huán)境因子加以控制，以滿足該系統(tǒng)的多樣化需求。

作物生長發(fā)育對溫度最為敏感。隨著一天中光照強(qiáng)度的變化，實(shí)行變溫管理是一種很有效的管理方法。另外需根據(jù)溫室中所種植的作物的種類進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，設(shè)置最適于棚內(nèi)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(jìn)行管理，可以把滲灌、滴灌、微灌等灌溉技術(shù)應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)中來。對作物生產(chǎn)的影響的光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、光質(zhì)，可通過在生態(tài)系統(tǒng)中安裝人工光源，并根據(jù)作物生長需要和外界環(huán)境檢測的結(jié)果，適當(dāng)補(bǔ)充光照條件。CO2是作物進(jìn)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(qiáng)度、溫度等因素。

生態(tài)系統(tǒng)中各環(huán)境因子之間存在著強(qiáng)烈的相互作用，作物是在各環(huán)境因子的綜合影響下生長的，而不是單個(gè)因素作用的結(jié)果，因此在設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)過程中需要進(jìn)行各方面的綜合考量。

1.2 智能農(nóng)業(yè)生態(tài)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)

在考慮了多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境因子后，根據(jù)大棚中常見作物的劃區(qū)分類，輔以常用控制設(shè)備，確定了溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)備：（1）光照系統(tǒng)。（2）通風(fēng)系統(tǒng)。（3）溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。（4）CO2濃度控制系統(tǒng)。（5）灌溉系統(tǒng)。

1.3 多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中使用的傳感器

多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)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(qiáng)度傳感器。根據(jù)實(shí)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(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)是以單片機(jī)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(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境因子的測量，將采集數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中。由單片機(jī)根據(jù)接收到的各項(xiàng)信號，控制繼電器、電磁閥以及相應(yīng)的控制電路，完成光照補(bǔ)充、溫度控制、濕度控制、CO2濃度監(jiān)測、灌溉系統(tǒng)控制，以達(dá)到自動調(diào)控多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境因子參數(shù)的目的。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了可調(diào)按鍵，通過按鍵可人為地設(shè)定合適的參數(shù)，便于根據(jù)不同的作物的環(huán)境中調(diào)節(jié)使用。

2.2 系統(tǒng)的組成和工作原理

硬件系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分組成。（1）數(shù)據(jù)采集由濕度傳感器、溫度傳感器、CO2傳感器、光電池組成。（2）數(shù)據(jù)分析由單片機(jī)基本系統(tǒng)組成。（3）數(shù)據(jù)處理由顯示系統(tǒng)以及繼電器控制電路組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.3 部分硬件功能的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 光照度檢測系統(tǒng)

選用測量線性度較好的光電池作為光強(qiáng)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(zhuǎn)換電壓形式，可以保證信號有更好的線性關(guān)系。

2.3.2 AD轉(zhuǎn)換部分

使用8位主次逼近型AD轉(zhuǎn)換器對輸入的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)量輸入單51單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.3.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

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

采用單片機(jī)的P0端口和LCD1602的D0到D7端口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，LCD1602的RS、RW、E分別連接單片機(jī)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(diào)整對比度。

2.3.4 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用聲光報(bào)警電路。溫度和濕度任何一個(gè)超過設(shè)定范圍，蜂鳴器均報(bào)警。設(shè)計(jì)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(bào)警電路是通過MCS-52的1根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴音發(fā)聲。

2.3.5 功能鍵的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是對多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中溫濕度進(jìn)行自動監(jiān)測和控制，但是為了管理人員的管理，系統(tǒng)使用鍵盤來設(shè)定溫濕度的上下限。

本設(shè)計(jì)采用四個(gè)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(tǒng)在正常工作、溫度上下限調(diào)整模式、濕度上下限調(diào)整模式、CO2濃度上下限調(diào)整模式、照度上下限調(diào)整模式等模式間進(jìn)行切換;

S2：S2按鍵平時(shí)作為向上翻一屏的顯示調(diào)整按鍵;進(jìn)入調(diào)整模式是作為調(diào)整模式的增加按鍵，按下S2按鍵使相應(yīng)調(diào)整模式下的上、下限值增大;

S3：S3按鍵平時(shí)作為向下翻一屏的顯示調(diào)整按鍵;進(jìn)入調(diào)整模式是作為調(diào)整模式的減少按鍵，按下S3按鍵使相應(yīng)調(diào)整模式下的上、下限值減小;

S4：S4按鍵平時(shí)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(jìn)入調(diào)整模式作為調(diào)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(yīng)調(diào)整模式下的上限或者下限值進(jìn)行調(diào)整。

3 多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

搭建好硬件設(shè)施后，針對選取的測試環(huán)境因子，對程序進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)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(jī)來控制相應(yīng)的繼電器、電池閥等，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)照明（補(bǔ)光）系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)的自動控制功能。

4 誤差分析

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

（2）由輸入信號產(chǎn)生的誤差，由于輸入為模擬量，存在電源噪聲、電源穩(wěn)壓、信號源阻抗、IO串?dāng)_、EMI噪聲和溫度變化的誤差等。

（3）由處理程序產(chǎn)生的誤差，處理數(shù)據(jù)為區(qū)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(nèi)所有的數(shù)字進(jìn)行分別處理，顯示照度與實(shí)際照度存在誤差。

（4）目前電路采用萬用板搭建，各個(gè)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(dú)制版完善電路功能。

（5）在校準(zhǔn)過程中，數(shù)據(jù)是采用擬合方式處理的，擬合過程中會產(chǎn)生誤差。

5 結(jié)語

基于綠色制造的多維度農(nóng)業(yè)生態(tài)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路來源與生產(chǎn)實(shí)際需求，根據(jù)需要選取了合適的溫室控制因子，通過傳感器的實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、光照、CO2濃度的探測，并完成了后續(xù)的補(bǔ)光、增溫、灌溉等系統(tǒng)控制功能。現(xiàn)階段正嘗試通過無線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，制作專門的APP來實(shí)現(xiàn)對該生態(tài)系統(tǒng)的操控。

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