基于光伏發電的農業大棚環境檢測系統＊

張維華，張銀君，孫 越，甄景龍

（1.廣西科技師范學院，廣西 來賓 546199；2.齊齊哈爾工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161005；3.禾望電氣股份有限公司，廣東 深圳 518055）

環境信息對于指導農業的生產具有十分重要的影響，所反映出的數據信息使得人們能夠清晰地了解農作物生長狀況，以便于對農業的生產活動進行有效的管理，進而提高農業的產量和效益。近些年來，隨著農業種植技術的推廣和改進，以溫室種植為主的農業大棚成為了現代農業發展的重要舉措[1]，但由于農業大棚一般所處的地理位置偏僻且面積較廣，供電距離較遠，人工采集環境信息的效率低下，所得數據信息誤差較大，無法達到精確化的管理和降低成本，因此改進農業大棚的管理更是成為了迫切解決的問題。

郭鵬等[2]對農業溫室大棚進行了智能化的環境監測，取代了人工采集數據的傳統方式，提高了數據的精準性；楊飛等[3]采用物聯網技術對溫室環境進行監測，實現了農業大棚的信息化管理；朱均超等[4]設計了以物聯網為系統的農業環境檢測系統，采集大棚內的6個環境參數進行遠程的監測和管理；陳曉寧等[5]則采用GPRS和射頻技術來對農業大棚的環境進行監測。目前，有關農業大棚的監測系統[6]大多關注于數據采集的優化和平臺的建立，而對于遠距離供電帶來成本增加的問題并未給出優化的方案。因此，研究改進農業大棚的供電問題對于降低管理的成本具有重要的意義。

本文針對農業大棚地處地理位置偏遠而造成供電成本高的問題，設計以光伏為核心的發電系統，將光伏發電技術應用于農業大棚的供電管理，并將物聯網技術與智能檢測技術相結合，設計一款農業大棚環境檢測裝置。

1 系統總體設計

本設計針對農業大棚室內環境數據采集，因此需要考慮大棚的大小與大棚之間的間距，大棚長105 m，寬45 m，高2.5 m，考慮到ZigBee信號單點覆蓋范圍為75 m左右，因此ZigBee組網選用網狀網絡拓撲結構完成通訊。

農業大棚室內環境信息采集系統主要由3個部分組成，分別為環境信息采集模塊、ZigBee無線傳輸模塊、物聯網系統。環境采集模塊包括主控芯片STM32F103、空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤pH值傳感器、光照強度傳感器、CO2傳感器、人體紅外傳感器。物聯網系統包括主機的核心控制芯片、Zigbee模塊、Wi-Fi模塊、機智云服務器、手機APP軟件。

環境信息采集模塊是通過7類傳感器進行采集，將采集到的室內環境數據通過控制器的ADC采集系統、數字串行通訊系統傳輸到主控芯片中，主控芯片處理后通過顯示燈和液晶屏顯示信息。

2 電路設計

2.1 主控電路的設計

本設計選用ST公司推出的STM32F103CBT6[6-7]芯片作為本系統的單片機控制芯片，其外設電路由復位時鐘、晶振電路、供電電路、ST_LINK下載接口等部分組成，STM32F103CBT6單片機的最小系統電路如圖1所示。

圖1 主控電路原理圖

2.2 DC-DC電路的設計

本系統的供電部分采用的是光伏直流供電系統。在農業大棚中，市電安裝成本較高，由于農業大棚有可能遠離租戶，架線可能會造成巨大的成本。而采用光伏發電也能保證系統的正常運行，并且安裝方便，移動性好。為了節約能源，踐行可持續發展理念，因此在供電方向選擇光伏供電。

為此，在農業檢控系統中，使用太陽能光伏電池板進行發電，通過Buck電路把光伏電池板電壓進行變換后給12 V的蓄電池充電，以此來作為整個檢控系統的供電來源。該電路采用MPPT控制算法來對光伏進行最大功率的跟蹤控制，實現光伏最大功率的輸出，而對于蓄電池的儲能過程，則采取三段式的充電控制策略。文獻[7]指出該控制策略能夠達到快速充電、防止過充現象發生的效果，電路原理如圖2所示。

圖2 光伏電路原理圖

2.3 環境檢測傳感器和無線模塊的設計

目前已知的能夠影響作物生長的因素已達上百種之多，但在實際的設計應用中，不可能對這些信息進行全部采集，根據對作物生長影響的大小，本文著重選擇影響較大的幾種環境因素作為檢測參數，如土壤的酸堿度、土壤的溫濕度、空氣溫濕度、光照強度和CO2體積分數，將這些因素作為數據采集因子。考慮到傳感器的性能和精確度，采用飛夢電子科技有限公司生產的型號為FM-KWS電壓型溫濕度傳感器檢測大棚內的空氣溫濕度，FM-SFC型號的土壤濕度傳感器采集大棚中的土壤含水量以及FM-GZ型號的光照度傳感器采集大棚中的光照強度。對于土壤的溫濕度的采集則采用華電科技有限公司生產的KG-LC247型號土壤溫度傳感器，土壤的pH值的檢測則采用北京速銳科技有限公司所生產的CH-3D型號的pH計傳感器，大棚內的CO2體積分數則采用深圳市煒盛科技集團有限公司所生產的MH-Z19B進行檢測。線通訊模塊選用鼎泰克電子有限公司所成產的DTK集成無線ZigBee模塊。網絡層采用Wi-Fi進行設計，通過主節點的主控芯片與ESP8266模塊相連進行通信。

3 試驗平臺和誤差分析

3.1 試驗平臺的搭建

本文設計的農業大棚環境檢測系統如圖3所示，檢測方向主要為農業大棚室內環境檢測。該系統由空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照強度傳感器和pH值傳感器組成，農業大棚環境檢測項目較為全面，并且可以通過ZigBee無線通訊技術把環境數據傳輸到主節點上進行顯示。主節點連接Wi-Fi模塊把檢測數據上傳到云端服務器，通過用戶手機APP顯示相關數據。

圖3 農業大棚環境檢測系統

3.2 APP數據界面

本次試驗場地選擇農業大棚試驗田，試驗田為土豆農作物。該檢測系統的傳感器從機與ZigBee相連，路由器與Wi-Fi相連，手機聯網并打開APP，觀察主機和APP上顯示的環境數據，正常檢測狀態下的APP界面如圖4所示。

圖4 APP界面

3.3 數據的誤差分析

本文設計的大棚環境檢測系統所測得的大棚內的空氣溫濕度如圖5所示。分析圖5可知，所測得的溫濕度值大小與實際測得的數值大小誤差保持在5%的范圍內，有效地反映了大棚環境的溫濕度狀況。

圖5 空氣的溫濕度

對于土壤的溫濕度，根據傳感器所測得的數據情況如圖6所示。分析圖6可知，大棚內土壤的溫度在07：00—15：00的時間段內不斷上升，在16：00—19：00的時間段內逐步的下降。而對于大棚內土壤的濕度，除了13：00—15：00時間段內呈現出上升的趨勢，其余時間段內為下降的狀態。通過數據的顯示，土壤測得的溫濕度值與實際現場測得的數值平均誤差約為1%。

圖6 土壤的溫濕度

大棚內的光照強度變化情況如圖7所示。分析圖7可知，在07：00—15：00的時間段內，大棚內的光照強度不斷增強，而在16：00—19：00的時間段內，隨著夜幕的降臨，大棚的光照強度逐漸降低，且測得的數據與實際的數據誤差為0.5%。

圖7 光照強度

大棚內的CO2體積分數如圖8所示，分析圖8可知，在07：00—17：00的時間段內，大棚內CO2的體積分數逐漸降低，而在17：00后的時間段內，大棚內CO2的體積分數呈現出增大的趨勢，其數據的誤差約為0.3%。

圖8 CO2體積分數

大棚內土壤的酸堿度如圖9所示。分析圖9可知，大棚內的土壤在全天中呈現出酸性或者中性的狀態，所得的數據誤差約為0.1%。

圖9 土壤的pH值

4 結論

本文針對農業大棚的供電和管理問題，設計了一款基于光伏發電的農業大棚檢測系統，從中得出了以下結論：①采用光伏發電技術解決了農業大棚因地理位置偏遠而造成供電難的問題，通過使用光伏發電達到了對新能源利用的目的，降低了發電的成本；②對于農業大棚內的管理，采用物聯網技術實現遠程數據監控的目的，可隨時隨地使用手機APP軟件觀察大棚內的數據情況，及時了解大棚內作物的生長信息；③該系統測得數據與實際現場測得的數據誤差精度在5%以內，較為真實地反映了大棚的數據信息，其系統的可靠性和穩定性較好。