自動化控制技術下的智慧大棚設計與應用

張文郁 李勇泉 吳鵬

摘要：我國南方地區與北方地區存在較大的溫度、氣候差異，使得珍稀瀕危植物在不同區域表現突出的分布特征，意味著自然環境是保障生長的關鍵條件，人工操作難免存在一定誤差，為此，借助智慧大棚的建設徹底實現自動化溫濕度調控，不僅能實現對人力成本的控制，還能有效提升生產效率。基于此，本文以珍稀植物保護為目的，基于自動化控制技術下設計智慧大棚，并通過實際應用證實該系統的可操作性。

關鍵詞：珍稀植物；自動化控制；智慧大棚

受到人類活動擴張、氣候變化以及外來物種侵襲等因素的影響，導致生物多樣性面臨著前所未有的挑戰，為此，保護生物多樣性成為一項重要的工作。珍稀瀕危植物具有數量稀少和生境特殊等特點，一直以來都是植物起源研究、古地質變遷以及區系演化等的重要證據，保護珍稀瀕危植物是保障生物多樣性的重要基礎，也是保護野生生態資源的關鍵措施。近年來，隨著珍稀瀕危植物保護工作的全面推進，溫室大棚技術成為優化珍稀植物生存環境、延長植物存活率和提高優良率的重要方法，但傳統的溫室大棚要通過人工檢測和調節環境，難免出現錯漏，影響脆弱珍稀瀕危植物的生長。在現代科學技術發展的影響下，自動化控制技術迅速崛起，并在各種工業機械領域廣泛運用，獲得了學界以及各領域企業的共同認可。為此，將這項成熟的技術應用到溫室大棚中，打造全新的智慧大棚，增強溫室大棚的自動化和智能化性能，使珍稀瀕危植物得到合理化、科學化的保護。

一、珍稀植物保護智慧大棚需求分析

優秀的珍稀植物保護智慧大棚必須結合實際情況，在使用期間應操作簡單，能被廣大農戶快速掌握，又能更好地適應周圍環境。為此，該系統要滿足以下需求：

溫度控制：溫度是保障珍稀植物生長的關鍵因素，在不同時間段能根據植物的生長特性調整溫度參數，有利于植物的生長。目前，溫室大棚在溫度調整上主要通過通風、遮陽等方式實現。通常情況下，大棚室內溫度控制在16°左右，但部分植物可能需要更高的溫度，這就需要適當調整。

濕度管理：大棚的濕度條件也會直接影響農作物的生長，為此，要結合空氣濕度實現有效管控，如果需要加濕，可以適當澆水。

光照強度調整：光照是植物日常光合作用的重要因素，可以借助黑布遮擋板調整光照。

二氧化碳濃度控制：二氧化碳主要應用于植物的光合作用，適當的二氧化碳濃度能提高植物光合作用的效果。

二、珍稀植物智慧大棚系統設計

（一）控制系統總體架構

珍稀植物保護智慧大棚系統主要基于自動化控制系統技術，打造針對溫濕度、光照強度和環境監控的數據采集、傳輸、分析和調控的現代溫室大棚，總體結架構如圖1所示。

（二）珍稀植物智慧大棚系統主要功能

1.環境參數的測定與調控

光照強度測試：植物的光合作用無法離開光照，為此，合理的光照強度非常關鍵，通過光照傳感器監測光照，配合補光系統、照明系統、遮陽板的調整提升光照強度在整體控制效果。

溫濕度測試：植物的正常生長必須要有良好的溫濕度條件，需要動態測量室內溫濕度，并結合測量結果適時調控。

智慧大棚卷簾和排風系統控制：智慧大棚中的溫度、光照和濕度都需要由排風扇以及卷簾調整，為此，大棚控制系統必須結合室內各項參數變化準確調整。

二氧化碳濃度測量：植物的光合作用會直接影響其生長，適當的二氧化碳濃度能幫助植物更好的完成光合作用，為此，智慧大棚應實現對室內二氧化碳濃度的調控，找到更適宜珍稀植物生長的二氧化碳濃度。

2.智慧大棚數據樣本采集

根據上述需求，針對數據樣本實施采集是保障環境數據測試和采集的重要功能。但需要注意的是，珍稀植物對生存環境的要求更高，不能用某個采集數據作為整體的數據信息。如果通過人工的方式調整大棚環境參數，不僅效率低，采集到的數據也容易丟失、重疊。為此，可以通過環境傳感器收集數據。

3.通信模塊的應用

通信模塊是確保本系統實現現代化、智能化運作的核心模塊，借助5G通信能完成對各項數據的傳輸和指令的發布。本系統主要通過物聯網ZigBee通信技術實現通信運轉，該項技術已非常成熟，有著較高的穩定性和傳輸效率，是現階段應用范圍較廣的通訊模塊。ZigBee模塊主要通過序列擴頻的方式發送數據，另一個模塊能實現對數據的準確快速接收，完成攝像頭驅動、短信發送、數據存儲和傳輸等各項通信服務。

4.智慧大棚數據平臺

主要通過瀏覽器/服務器構建Java平臺的主流數據訪問平臺，用戶可以經由任意的網絡PC端口進入瀏覽器，登錄智慧大棚的數據平臺，獲取數據信息，此數據平臺需要基于Java Web服務器構建，形成底層數據庫，還可經J2EE平臺發布相關信息。

5.Android 平臺應用

通常情況下，設備的控制界面直接配置在設備上，當需要控制設備的過程中，必須由專人到設備旁監控和操作，但載入手機移動端后，可以提升整體靈活性。為此，為了提升智慧大棚的性能，系統搭建并載入設備控制軟件，通過移動端獲取信息，并通過端口控制電氣設備。

（三）智慧大棚控制系統軟硬件配置

智慧大棚的控制系統軟硬件配置主要包括采集設備與控制電路兩部分，總體硬件設計采取模塊化的設計處理思路，模塊化的設計方案能確保系統后期升級與擴展需求，硬件部分的控制設備主要包括單片機最小系統的開發、不同傳感器的數據采集和電路設計等，在整個系統運作中，數據的收發是關鍵，它能完成安卓系統與下位機之間的數據通信服務。

1.主控制器

MCU主控單元主要運用STM32 F103 x8系列芯片，型號為STM32F103R8T6，具有處理速度快、存儲容量較大、芯片接口數量較多以及多通道等特性。智慧大棚控制系統配置的控制器對串口的數據有著較高需求，而本文采用的芯片不僅能有效控制時序，還能實現低功耗、穩定電壓輸出的效果。

2.傳感器

溫濕度傳感器集成模塊主要運用環境傳感器DHT11，通過I/O控制器出口完成通信連接；光照傳感則運用BH1750FVI元器件，具有較高的光照強度反饋敏銳度，通過兩根線訪問光照強度傳感器寄存器；二氧化碳傳感器模塊運用T6004，具有結構完整、結構小等特點。通過傳感器的調配運用，可結合溫濕度要求，實現溫濕度、土壤溫濕度和光照的調控。例如：將空氣溫度設置為20～25℃，濕度設置為80%～90%，光照設置為500lx，二氧化碳設置為0.03%。同時，基于算法完成以下設定：（1）以二氧化碳在空氣中的值相對恒定，優先級設定為最低，但可設置報警等級。（2）光照度會直接影響空氣溫濕度，它作為執行命令最高級，優先開啟外遮光。此時設置時間閥值，開啟1h。（3）濕度監測低于80%或開啟濕簾加濕；如果高于90%不執行動作。（4）溫度監測，當高于25℃時，開啟通風或內循環。（5）場景模式在季節變化時，對傳感器執行有優先級的排序。此項指令會在環境參數變化時循環執行，以此確保植物生長的最佳環境。

3.通訊模塊

系統采用的通訊模塊主要包括網絡透傳、HTTPD、短信息三種運作模式，因網絡透傳的運作效率較高，以此作為主要通訊模式，本系統主要采取Socker編程如圖2所示。

三、智慧大棚控制系統的應用

通過PC端瀏覽器和手機端口登錄智慧大棚數據平臺，可通過大屏數據看板實時監控室內以及室外的溫度、濕度、二氧化碳、光照度等參數。大屏使用折線圖展示每個棚的溫濕度變化，中部區域為根據實際場景和環境搭建三維立體數字孿生應用場景，如圖3所示。同時，實時掌握各種設備運作情況，以小卡片列表的形式顯示數據，一個設備用一張卡片顯示，支持按照狀態/設備類型/空間區域進行數據篩選。在日常管理中，系統根據具體的業務配置業務規則，并在告警工單中處理對應的工單信息、告警工單的詳情，詳細查看到觸發告警的設備、設備數據以及相關信息，如圖4所示。

四、結語

綜上所述，本文根據珍稀植物保護的需求，設計了基于自動化控制技術下的智慧大棚，提升溫室大棚管理精準性和智慧性，能實現遠程操控和管理以及閾值報警，為珍稀植物的保護提供現代化的保護策略。

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