基于Kittenblock 的智慧大棚研究

鐘宇航 ， 孫達(dá)坤 ， 楊得驥 ， 周穎怡

（1.嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東 湛江 524001）

1 我國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國是農(nóng)業(yè)大國， 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)將長期在國民經(jīng)濟(jì)中處于重要地位。 但現(xiàn)今我國大部分地區(qū)還維持著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)粗放的管理方式，憑借經(jīng)驗(yàn)施肥灌溉，不僅需要大量的人力物力，對環(huán)境保護(hù)以及水土保持構(gòu)成嚴(yán)重威脅，還因無法對農(nóng)業(yè)環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、智能化管理，影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

為了克服我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的劣勢， 本文旨在設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化、智能化管理的智慧大棚，這個智慧大棚提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量的同時，造價(jià)低廉，適用性廣，有利于推動我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)[1]。

2 智慧大棚簡介

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，影響農(nóng)作物生長的主要因素有溫度、濕度、光照度等等，想要做到科學(xué)合理種植僅僅依靠傳統(tǒng)的人工控制方式非常困難[2]。 本文提出的基于Kittenblock 的智慧大棚具有以下功能：

1） 大棚內(nèi)溫度的測定；

2） 大棚內(nèi)土壤濕度的測定；

3） 大棚內(nèi)光照強(qiáng)度的測定；

4） 大棚內(nèi)的防火報(bào)警系統(tǒng)；

5） 把收集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上；

6） 根據(jù)傳感器收集的數(shù)據(jù)判定下一個執(zhí)行動作。

2.1 Kittenblock 圖形化編程軟件介紹

Kittenblock 是由小喵科技出品的一款基于Scratch3.0青少年編程軟件。 Kittenblock 支持圖形化程序micro：bit、arduino 等開源硬件控制， 支持Python/c++代碼等高級語言。繼承了Scratch3.0 的優(yōu)點(diǎn)，采用拖拽模塊的方式進(jìn)行程序的編寫， 還能夠利用Arduino 開發(fā)板來創(chuàng)作出更多更強(qiáng)大的互動作品。 Kittenblock 圖形化編程軟件功能強(qiáng)大，但卻因?yàn)槟馨殉绦蜣D(zhuǎn)換成圖形積木的形式而變得易懂易學(xué)。

2.2 主控板的介紹

Kittenblock 圖形化編程軟件支持多種硬件控制，本文設(shè)計(jì)的大棚采用的微控制器是Arduino 開發(fā)板中的UNO R3 主控板，ATmega328 MCU 主控芯片是開發(fā)板正常工作的基礎(chǔ)，UNO R3 開發(fā)板具有14 路的數(shù)字輸入輸出引腳（其中6 路可用于PWM 輸出）、6 路模擬輸入引腳、 一個16MHz 的陶瓷諧振器、 一個USB 接口、 一個適用于7V～12V 的直流電壓的電源插座、 一個ICSP 接頭和一個復(fù)位按鈕，是本文提出的智慧大棚的硬件部分。

2.3 傳感器的選擇與介紹

1） 溫濕度傳感器模塊。 本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器模塊是DHT11 溫濕度傳感器模塊， 該模塊可以用于大棚內(nèi)溫濕度的測量。 它的正常工作電壓是3.3V～5.5V，可以兼容UNO R3 主控板，具有長期的穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、響應(yīng)快、信號傳輸距離長和精確校準(zhǔn)等特點(diǎn)。 同時，它還有一個NTC 測溫元件、電容式感濕元件以及一個高性能8 位單片機(jī)。

2） 土壤濕度傳感器模塊。 本文設(shè)計(jì)的智慧大棚土壤濕度測量采用的傳感器是土壤濕度檢測模塊。 它的正常工作電壓是3.3V～5V，兼容UNO R3 主控板當(dāng)接數(shù)字輸出端口時，可以通過順時針調(diào)節(jié)傳感器模塊上的電位器來增大土壤濕度模塊控制濕度的閥值，相應(yīng)的，逆時針調(diào)節(jié)電位器則可以降低傳感器控制濕度的閥值；在本文設(shè)計(jì)的智慧大棚當(dāng)中連接土壤濕度檢測模塊的方式是接模擬端口。

3） 光照傳感器模塊。 本文設(shè)計(jì)的智慧大棚光照強(qiáng)度檢測系統(tǒng)所用的傳感器為光敏電阻傳感器。 工作原理是利用其對光線敏感的特性來檢測周圍環(huán)境光線的亮度，以此來觸發(fā)單片機(jī)或者繼電器模塊等等。 在本文設(shè)計(jì)的智慧大棚當(dāng)中采用的連接方式是接模擬端口。

4） 火焰?zhèn)鞲衅髂K。 本文設(shè)計(jì)的智慧大棚中的防火系統(tǒng)采用火焰?zhèn)鞲衅鳎?當(dāng)火焰以及760nm～1 100nm 波長范圍內(nèi)的光源出現(xiàn)在大棚內(nèi)時， 火焰?zhèn)鞲衅骺梢宰R別并且觸發(fā)下一步的執(zhí)行命令。

5） 繼電器模塊。在本文設(shè)計(jì)的智慧大棚中，繼電器用于排氣扇以及水泵的觸發(fā)。 繼電器采用的是5V 高電平觸發(fā)繼電器，繼電器具有電源和繼電器動作指示，吸合時，電路連通，綠燈亮，觸發(fā)排氣扇或者水泵工作；反之，電路斷開時綠燈不亮。 它可以控制直流或者交流信號，也可控制220V 交流負(fù)載； 負(fù)載端口分為常開端 （NO）、 公共端（COM）、常閉端（NC）。

6） IIC LCD 1602 液晶屏。 在本文設(shè)計(jì)的智慧大棚當(dāng)中，1602 液晶屏用于顯示溫濕度傳感器、 土壤濕度檢測模塊、光敏電阻以及火焰?zhèn)鞲衅魇占降臄?shù)據(jù)。使用IIC LCD 1602 液晶屏可以只連接4 個引腳，大大節(jié)省了引腳端。

7） L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊。 L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊在本文設(shè)計(jì)的智慧大棚中的作用是啟動直流電機(jī)去開啟或者關(guān)閉遮陽棚。 驅(qū)動模塊采用了驅(qū)動能力強(qiáng)、發(fā)熱量低以及抗干擾能力強(qiáng)的L298N 作為驅(qū)動芯片， 另外使用了大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，可以提高可靠性。

3 系統(tǒng)方案及體系結(jié)構(gòu)

智慧大棚系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)各種環(huán)境因素的實(shí)時監(jiān)測與反饋。 該系統(tǒng)采用感知層、傳輸層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。 由感知層對溫室大棚的氣候環(huán)境信息進(jìn)行全面感知，將傳感器收集的數(shù)據(jù)反饋到主控板， 傳輸層通過傳感器收集信息傳遞到主控板上分析并確定下一步的執(zhí)行命令， 用戶通過大棚內(nèi)的LCD 液晶屏或者電腦上Kittenblock 的串口通訊隨時隨地獲取大棚的環(huán)境信息。 應(yīng)用層處理反饋后確定下一步的執(zhí)行命令， 最后執(zhí)行器的工作使得不適合植物生長的環(huán)境因素恢復(fù)到正常。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對于系統(tǒng)而言，感知節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵部分，需保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[3]。Arduino UNO R3 主控板作為感知節(jié)點(diǎn)的核心組成部分， 主要負(fù)責(zé)感知節(jié)點(diǎn)中相關(guān)設(shè)備的協(xié)調(diào)工作， 完成對大棚內(nèi)環(huán)境信息的采集和發(fā)送。

傳感器設(shè)計(jì)是本智慧大棚的關(guān)鍵點(diǎn)， 傳感器的方案設(shè)計(jì)需要收集影響農(nóng)作物生長因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 作為感知層的傳感器在收集數(shù)據(jù)后， 由主控板進(jìn)行分析判斷是否執(zhí)行下一步命令， 如果收集到的數(shù)據(jù)沒有達(dá)到設(shè)定的閾值時， 主控板執(zhí)行命令， 觸發(fā)對應(yīng)解決措施的開關(guān)，從而使傳感器收集到的數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

3.2 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

智慧大棚系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的最關(guān)鍵部分是系統(tǒng)程序的編寫， 本系統(tǒng)的程序編寫是在Kittenblock 圖形化編程軟件上進(jìn)行的。 本系統(tǒng)的程序編寫分為兩部分進(jìn)行，主要是各部分傳感器與UNO 主控板、UNO 主控板與傳感器整體連接的編程。 傳感器與UNO 主控板部分的程序是本智慧大棚的程序的基礎(chǔ)[4]。 這部分編程主要是編寫傳感器收集數(shù)據(jù)，設(shè)定閾值，超出或低于標(biāo)定值，主控板做出判斷后執(zhí)行下一步操作使數(shù)據(jù)回到正常值。 另一部分就是整合各個部分的程序，融合為主程序。 總體上，本系統(tǒng)的程序編寫要滿足以下幾點(diǎn)的要求：

1)DHT11 溫濕度傳感器模塊的程序設(shè)計(jì)。本編程部分是測量大棚內(nèi)溫濕度的。

2)土壤濕度傳感器模塊的程序設(shè)計(jì)。這部分是測量大棚內(nèi)土壤濕度的。

3)光照傳感器模塊的程序設(shè)計(jì)。本編程部分是測量大棚內(nèi)光照強(qiáng)度的。

4)防火報(bào)警系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。大棚的防火報(bào)警系統(tǒng)的主要功能是能夠?qū)ε飪?nèi)出現(xiàn)明火進(jìn)行報(bào)警。

4 系統(tǒng)程序的測試及運(yùn)行結(jié)果

4.1 系統(tǒng)程序的測試

在Kittenblock 圖形化編程軟件上編輯好每個傳感器模塊的程序之后，進(jìn)行試驗(yàn)，檢查傳感器模塊的工作狀態(tài)，確認(rèn)無誤后把各個模塊的程序結(jié)合在一起，把程序上傳到UNO R3 主控板上，然后把各個傳感器模塊與主控板進(jìn)行接線，最后把各個傳感器模塊分布在大棚模型內(nèi)。

1） 溫濕度模塊測試。 DHT11 溫濕度傳感器接數(shù)字端口2，當(dāng)溫度高于35℃時，引腳5 的繼電器開關(guān)被觸發(fā)，啟動排氣扇工作，通過換氣來達(dá)到降低大棚內(nèi)溫度的目的；當(dāng)濕度低于40%時，引腳4 的繼電器開關(guān)被觸發(fā)，啟動水泵工作輸送水分，提高大棚內(nèi)的濕度。

2） 土壤濕度模塊測試。 土壤濕度傳感器接模擬端口A0，通電后初始值為1 023（此時電路斷開，土壤濕度狀態(tài)為干旱），隨著土壤濕度的增加，模擬端輸出的值越小。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)模擬端口輸出的值≥850 時，需要為土壤增加水分以達(dá)到適合植物生長的土壤濕度。

3） 光照強(qiáng)度模塊測試。 光敏傳感器接模擬端口A1，本程序光敏電阻串口的數(shù)值隨亮度的增強(qiáng)而減小， 呈負(fù)邏輯。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，在當(dāng)輸出數(shù)值大于300 時，系統(tǒng)打開LED 燈增加光線強(qiáng)度促進(jìn)植物的光合作用； 當(dāng)光敏傳感器測到的數(shù)值低于5 時，驅(qū)動電機(jī)開啟遮陽棚，降低光照強(qiáng)度，當(dāng)降低到正常光強(qiáng)（即串口輸出數(shù)值大于5）時收回遮陽棚。

4） 防火報(bào)警系統(tǒng)測試。 火焰?zhèn)鞲衅鹘幽M端口A2，通電后串口打印的原始數(shù)值為1 023，當(dāng)出現(xiàn)明火時數(shù)值變小。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳒y得的數(shù)值＜700 時，有明火出現(xiàn)，需要報(bào)警。

5） 液晶屏顯示模塊。 IIC LCD 1602 液晶屏模塊SCL接A5 引腳、SDA 接A4 引腳。 顯示屏中T 代表溫度（Temperature）、H 代表濕度 （Humidity）、S 代表土壤濕度（Soil）、L 代表光照亮度（Light）、F 代表火焰（Flame），除此以外，屏幕還顯示傳感器收集到的其他數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

本文研究基于Kittenblock 的智慧大棚， 系統(tǒng)運(yùn)行過程中各個模塊運(yùn)行正常， 各個傳感器模塊能正常收集數(shù)據(jù)，并由主控板分析判斷下一個執(zhí)行動作，應(yīng)用層的各個模塊也能正常進(jìn)行澆灌、通風(fēng)降溫、遮陽照明等等。

5 總結(jié)

該智慧大棚， 利用Arduino UNO R3 主控板以及各種傳感器作為大棚的硬件， 用Kittenblock 圖形化編程軟件編輯程序，可隨時修改程序，技術(shù)要求也不高。 總體而言，能較低成本有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化。