溫室大棚自動溫濕度光強檢測及紫外光殺蟲混合裝置設計

劉鑫彤 張 勇＊ 曹佩洪

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

1 概述

隨著綠色農業、科技農業的發展，我國傳統的溫室大棚也不斷地處于改進之中。傳統的溫室大棚采用藥物滅蟲，果蔬有部分藥物遺留，對人體不利。另外大棚的溫度濕度也對蔬菜的生長起著至關重要作用，也需要智能化調控。本文設計一種智能化大棚溫濕度檢測裝置及紫外線殺蟲裝置，讓農村大棚管理變得簡單化和智能化，而且避免傳統農藥殺蟲的危害。

2 自動溫濕度光照檢測設計與制作原理

2.1 控制系統結構與硬件設計

大棚內溫度濕度檢驗測試裝置應用AVR 單片機作主控制器，應用模塊化處理。模塊化中有射頻模塊nRF24L01，數字顯示屏LCD 和單片機ATmega8 以及溫濕度傳感器（SHT10）和光強傳感器（BH1705）共同組成[1]。傳感器對所需數據檢測，并把檢測數據傳送到主控制器即AVR 單片機中進行處理，并在顯示屏上顯示，是人工對數據分析調整。系統傳感器檢測模塊原理如圖1 所示[2]。集成模塊（SHT10）的1、4 管腳接芯片的外部電源為芯片內部供電。2 管腳DAT 與AVR 單片機PD4 連接實現溫濕度傳感器監測數據與主控制器數據實時傳輸，傳感器3 管腳SCLK 是單片機PD3 通信的同步時鐘信號，實現空氣溫濕度參數的實時采集[3]。光強度傳感器BHT1750 模塊的1、4 管腳接芯片的外部電源為芯片內部供電。模塊SCL 和SDA 管腳把外部監測得到光強的信號傳給AVR 單片機的PD6 和PD7 管腳，實現光強度的實時檢測[4]。AVR 單片機通過連接nRF24L0 的28 管腳為選擇模式開關、PC4 管腳為時鐘配置、PC3 管腳數據從PC4 在輸出、7 管腳數據從PC3 管輸入、5 管腳時鐘（片選）信號、8 管腳遮蔽，實現溫室溫濕度、光強度等環境參數的無線傳輸。

圖1 傳感器檢測模塊原理圖

2.2 溫濕度及光強檢測程序設計

兩個集成模塊（SHT10、BHT1750）實現對空氣的溫濕度檢測和光照強度的檢測并通過nRF24L01 模塊實時把檢測數據傳送給AVR 單片機模塊，這時我們把AVR 單片機模塊的溫濕度光照強度設定值相比較并控制風機或噴霧電磁閥的開關以及遮陽控制裝置，進而使空氣溫濕度及光照強度滿足控制要求。控制的流程：當溫濕度檢測和光照強度裝置打開并完成程序初始化檢測后，通過溫濕度傳感器采集檢測環境溫度濕度的數值，并把檢測的數值通過集成模塊（nRF24L01）傳輸給主控制器的溫濕度及光強存儲器，并把它與主控器的給定值進行數值比較處理，判定是否開啟加濕裝置、加熱器裝置以及遮光裝置從而節溫室大鵬內溫濕度和光照強度，同時判別現在所處溫度、溫濕度及光強如果超過設定數值的一項或超過多項，安裝的報警裝置報警。在極端環境下實現人工干預。主控制器（AVR）和集成模塊（nRF24L01）共同作用實現溫度、濕度及光強度等系統設定值相比較，使加熱、加濕、遮陽等自動開啟和關閉，能夠在一定程度上滿足大棚蔬菜在對生長環境的外部要求[2]。

3 紫外光自動殺蟲裝置控制系統

3.1 紫外光殺蟲燈原理

紫外光自動殺蟲燈是利用太陽能電池板提供的電源作為用電來源，晚上放電給紫外殺蟲燈具，供其工作。殺蟲燈具是利用紫外光對昆蟲具有殺傷作用而殺蟲的，紫外燈也叫黑光燈，多種害蟲對長波紫外光敏感，在一定范圍的波長內對昆蟲有誘導作用，即引誘害蟲撲向燈的光源，達到滅殺害蟲的目的。可以誘殺地下害蟲、雜糧類害蟲、蔬菜類害蟲、果樹害蟲、森林害蟲、草原害蟲等。

3.2 紫外光殺蟲燈控制系統

本文針對農業無污染殺蟲和溫室大棚的環境監控需要實時性、不間斷行性、周期性的特點，提出了一種基于WSN 的紫外光殺蟲燈系統。該系統采用ZigBee 與GPRS 相結合的遠程無線傳輸方式，將ZigBee 局域網內的殺蟲燈狀態和采集的相關數據信息通過GPRS 無線模塊采取TCP/IP 方式傳輸到后臺信息中心[5]。紫外光殺蟲燈控制系統主要由主控制器核心模塊、蓄電池充放電控制模塊、負載輸出模塊、充放電保護電路、負載保護電路等組成。紫外光殺蟲燈控制系統如圖2[6]，其逆變電路主要脈沖振蕩（NE555 模塊）電路、達林頓管電路、升壓電路等組成。脈沖振蕩電路發出的脈沖信號為方波。3 管腳輸出全脈沖信號至達號林頓管（VT1、VT2），使得VT1 與VT2 處于工作狀態。高頻變壓器與VT2 集電極相接，12V 電壓在高頻變壓器原副線圈及電磁場轉換中升到21kV。預設20000 赫茲輸出時間與總時間的比值為脈沖的50%。R4，C7 的取值圖中按圖中所示。實驗可知，脈沖振蕩（NE555）輸出的脈沖信號在示波器上顯示為正脈沖，沒有負脈沖，使得輸出的高壓低于百分之五十。改進方法在脈沖振蕩（NE555）3 管腳串聯10μF 電容解決了沒有負脈沖問題，全脈沖信號給升壓變壓器，最終由橋式二極管整流和升壓電路將2kV 電壓升到20kV。高壓電網電弧殺蟲快速無污染，實現綠色殺蟲的目的。靈活調整殺蟲燈的開啟時間，同時也可以改變紫外光的變化，達到定向殺蟲的目的，減少對有益昆蟲的殺害，使其變得更靈活、更高效。

圖2 紫外光殺蟲燈控制電路圖

4 溫室大棚檢測裝置主體設計

4.1 溫室大棚檢測裝置結構設計

常見的溫室大棚設計比較簡單，溫濕度檢測常常用溫濕度計或直接用溫度計加觀測經驗檢測濕度和光照強度。沒有遮光設計，中午前后使得溫室大棚溫度驟生，對蔬菜水果傷害較大。有些比較先進自動化溫室大棚傳感器安裝在不可動的地方，檢測的數值不準確，很難達到理想的調節環境舒適度，利于蔬菜水果的目的本文設計一個可的升降裝置把其安裝在大棚的最高處即棚頂龍骨上，把溫濕度傳感器根據需求調節高度，溫濕度傳感器要放在保護護裝置中，設計為百葉窗裝置，空氣流通順暢，同時在百葉窗防護裝置上設置太陽能遮光傘既能遮光還能發電[7]。光強傳感器則放在遮陽裝置外，能更準確地檢測光照強度。

溫室大棚傳感器放在能自動升降可調節的木箱中，木箱外安裝電機，滑輪升降滑道，滑輪、升降桿，升降鋼絲，木箱側面安裝有百葉窗，頂端裝有太陽能遮光傘。（1）自動升降系統：包括升降木箱及木箱外安的裝電機，滑輪升降滑道，滑輪、升降桿，升降鋼絲，木箱側面安裝有百葉窗，頂端裝有太陽能遮光傘。升降木箱頂部通過掛鉤懸掛在棚頂鋼骨架上固定住；升降木箱底部固定可轉轉動的軸承，軸承上安裝滑輪，滑輪安裝在滑道上，可上下滑動，升價鋼絲和升降桿連接，升降桿在木箱側面，防止木箱升降時偏離豎直位置，升降鋼絲和滑輪使木箱上下升降。（2）檢測系統：包括木箱和溫濕度傳感器、光強傳感器。木箱頂部有遮光傘，遮光傘頂部有吊環和升降鋼絲栓接；遮光傘上表面裝有太陽能電池板，即能發電又能防止陽光直射保護箱；保護箱側壁設有若干百葉窗葉片，方便保護箱內空氣通暢；溫濕度傳感器固定在防保護箱中間，光強傳感器太陽能電池板外部。通過木箱升降和檢測系統的自動檢測，把得到的數據傳給主控制器，隨時關閉打開加熱、遮陽、加濕裝置等調節環境溫度，把最適宜蔬菜水果生長的環境調節好。

4.2 溫室大棚控制系統設計

溫室大棚控制系統包括：感知端、信號傳輸端、人工控制端、和網絡端。感知端的傳感器分布在大棚內的不同位置，檢測溫室大棚內的溫濕度和光照強度。采集的數據后傳給主控制器。人工控制端信號傳輸和可視端組成：在大棚內通過多個傳感器和控制端可視端自行組織建網；傳輸方式為無線傳輸。自行建網的優勢可以實現檢測數據的實時采集，通過主控制器進行交互處理。通過無線網絡傳輸方式與監控中心連接。根據大棚內溫度、濕度、光強、蟲害情況等通過傳感器得到的參數，對各種設備裝置進行控制，包括打開加熱器、排風扇、打開加濕器、紫外光燈自動殺蟲裝置等。網絡端，通過人工設置程序建立長期數據庫，在數據庫中可以隨意提取數據，建立線圖分析，利用大數據處理系統更好和更完善的處理分析結果。得到該地區蔬菜水果適宜高產的生長環境情況[8]。

5 結論

5.1 本系統將可視化與監控裝置有機結合,使得可視化監控管理得以真正實現。構建了一種新型的溫室大棚生產體系，發展了科技農業綠色農業。利用現代農業對于溫室大棚的需求設計出智能檢測裝置，以最大程度地滿足不同地區對溫室大棚的需求。

5.2 利用傳感器對大棚內部的溫度、濕度、光照強度、蟲害情況進行檢測，并把檢測數據通過無線傳輸給主控制器，人工控制端和網絡端對得到的結果進行分析。再通過設定的程序傳輸給主控制器和大數據儲存分析端，計算機自動打開和關閉加熱、加濕、遮陽、殺蟲等裝置，進行大棚溫室環境調節，實現對大棚遠程自動控制。這也更好的體現我國發展科技農業、綠色農業的趨勢。