光伏农业环境检测与调控关键技术

徐少明+吴大军+邱成军

摘要：光伏农业就是将太阳能发电广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力提供等领域的一种新型农业。本研究设计了光伏农业环境检测与调控方案，将CAN总线技术、无线技术应用到系统设计中，并对太阳能电池匹配、光电池选型、环境温湿度等环境因子的采集等关键技术进行了研究。结果表明，该光伏农业环境检测与调控系统能够及时调控温室的环境因子，提高农作物的产量和质量。

关键词：光伏农业；环境检测；温度；设施农业

中图分类号：X382 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0316-03

光伏农业就是将太阳能发电广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力等领域的一种新型农业^[1-3]。包括光伏农业并网发电、太阳能杀虫灯、光伏大棚、光伏养猪等应用，它是太阳能光伏发电与设施农业的有效结合，一方面太阳能光伏电站可运用低成本的农地直接发电；另一方面将太阳能光伏发电系统、光热系统及新型纳米仿生态转光膜技术综合嫁接到传统温室大棚，根据不同植物生长对不同波长光的需求，进行波长转换以便作物吸收，增强光合作用；另外白天存贮的太阳能晚间用于给LED补光灯供电，提高作物的品质^[4]。但是，相关光伏农业环境检测与调控关键技术研究报道较少，黑龙江大学邱成军教授带领的团队多年来一直从事智能控制技术、设施农业自动装置的研制，团队中拥有懂得薄膜太阳能、系统集成、智能控制技术、设施农业、农业种植等领域的最先进的技术人才。本研究设计了光伏农业环境检测与调控方案，将CAN总线技术、无线技术应用到系统设计中，并对太阳能电池匹配、光电池选型、环境温湿度等环境因子采集等关键技术进行了研究。结果表明，这种光伏农业环境检测与调控系统完全实现能源自给，既节能环保，又极易维护，相比于传统大棚，提高了农产品产量和品质。有助于推动农业生产信息化、自动化。

1 硬件设计

光伏农业环境检测与调控装置包括太阳能供电单元、数据采集单元、数据接收单元和执行单元^[5-6]（图1、图2）。太阳能供电单元由薄膜太阳能电池板连接太阳能控制器和蓄电池组成，太阳能控制器控制蓄电池的充放电，蓄电池为数据接收单元和执行单元供电，太阳能电池板的选择可以根据电池板放置的地点不同而选择晶体硅和薄膜电池，如果电池板固定在大棚的顶端，最好选择透光性好的薄膜太阳能电池板或选择性透光电池板，否则选择价格低廉的晶体硅太阳能电池板进行供电；数据采集单元由土壤温度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、大气压力传感器、湿度传感器、单片机、无线发射模块组成，在PCB板上顺序电连接各传感器、单片机、无线发射模块构成数据采集单元，每个数据采集单元的电力均由无污染蓄电池提供，定期用太阳能电池板给蓄电池充电；数据接收单元由无线接收模块、单片机、显示屏、按键、CAN总线、计算机接口组成，在PCB板上顺序电连接无线接收模块、单片机、显示屏、按键、CAN总线、计算机接口构成数据接收单元。数据接收单元通过串口将数据传输到计算机进行分析，同时也能接收计算机发来的数据，并执行相应的动作。执行单元由驱动电路连接电机、LED补光灯组成，电机驱动风扇、卷帘、滴灌设备。其中，LED补光灯由红色LED、蓝色LED先串后并组成。

选择高标准、无污染蓄电池，通过太阳能控制器为装置供电，数据采集单元的n个经过编号的数据采集节点将采集到的温湿度等环境参数通过无线发送，数据接收单元中单片机依次接收采集节点的数据，通过CAN总线将简单处理后的数据送入计算机，上位机软件对数据进行处理和分析，通过执行单元驱动相应设备执行相应的动作，达到闭环控制；用户根据植物品种不同，设置相应的上限参数^[7-8]。

2 软件设计

本光伏农业环境检测与调控装置下位机（数据采集模块）软件由KEIL C按模块化设计方式进行设计，功能包括无线初始化、数据采集和发送等。考虑到光伏农业工程较大，大面积、长距离的无线数据传输无法实现，故数据采集采用无线技术和CAN总线技术互补形式，在最低级节点采取无线采集和发送，高端级别的节点采用CAN总线采集和发送数据，同时高端级别的节点能接受上位机发送的命令，并能执行。

上位机系统由2部构成，控制监控系统和互联网信息远程监控系统，上位机系统功能框见图3。上位机的数据采集座100 m2的大棚数据采集、补光、照明用等用途。多余电量也可以并网卖给国家。

5 结论

设计并实现了光伏农业环境检测与调控装置，开发了上位机软件，并对光伏与LED等的匹配进行评估，记录了影响环境因素的各个参数并作了分析。

本装置适合在偏远地区，特别是无市电的大棚和温室，无法进行环境参数测量和控制的地方使用。

根据该装置测得的数据，合理调控环境的各个参数，充分利用太阳能光伏优势，能够提高农作物产量和品质。

参考文献：

[1]盛 绛，滕国荣，严建华，等. 太阳能光伏水泵在农业方面的应用[J]. 农机化研究，2008（12）：198-200.

[2]彭梅牙. 新余市大力发展光伏农业[J]. 南方农机，2012（2）：4-6.

[3]魏海峰，李萍萍，包晓明. 基于同步整流的光伏水泵数字控制器[J]. 农业机械学报，2009，40（11）：94-98.

[4]赵春江，杨金焕，陈中华，等. 太阳能光伏发电应用的现状及发展[J]. 节能技术，2007，25（5）：461-465.

[5]张仁贡. 农村水能与太阳能混合发电系统的设计与应用[J]. 农业工程学报，2012，28（14）：190-195.

[6]Neelakanta，Perambur S，Harshad D. Robust factory wireless communications：A performance appraisal of the blue tooth and the ZigBee collocated on an industrial floor[J]. IEEE Computer Society，2003（3）：2381-2386.

[7]杜尚丰，李迎霞，马承伟，等. 中国温室环境控制硬件系统研究进展[J]. 农业工程学报，2004，20（1）：7-12.

[8]王忠义，陈端生，黄 岚. 温室植物生理指标监测及应用研究[J]. 农业工程学报，2000，16（2）：101-104.

[9]陈端生. 中国节能型日光温室建筑与环境研究进展[J]. 农业工程学报，1994，9（1）：123-129.

[10]王松涛，冯广和，陈端生，等. 论我国设施园艺建设的宏观管理[J]. 农业工程学报，1999，15（1）：159-164.endprint

摘要：光伏农业就是将太阳能发电广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力提供等领域的一种新型农业。本研究设计了光伏农业环境检测与调控方案，将CAN总线技术、无线技术应用到系统设计中，并对太阳能电池匹配、光电池选型、环境温湿度等环境因子的采集等关键技术进行了研究。结果表明，该光伏农业环境检测与调控系统能够及时调控温室的环境因子，提高农作物的产量和质量。

关键词：光伏农业；环境检测；温度；设施农业

中图分类号：X382 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0316-03

光伏农业就是将太阳能发电广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力等领域的一种新型农业^[1-3]。包括光伏农业并网发电、太阳能杀虫灯、光伏大棚、光伏养猪等应用，它是太阳能光伏发电与设施农业的有效结合，一方面太阳能光伏电站可运用低成本的农地直接发电；另一方面将太阳能光伏发电系统、光热系统及新型纳米仿生态转光膜技术综合嫁接到传统温室大棚，根据不同植物生长对不同波长光的需求，进行波长转换以便作物吸收，增强光合作用；另外白天存贮的太阳能晚间用于给LED补光灯供电，提高作物的品质^[4]。但是，相关光伏农业环境检测与调控关键技术研究报道较少，黑龙江大学邱成军教授带领的团队多年来一直从事智能控制技术、设施农业自动装置的研制，团队中拥有懂得薄膜太阳能、系统集成、智能控制技术、设施农业、农业种植等领域的最先进的技术人才。本研究设计了光伏农业环境检测与调控方案，将CAN总线技术、无线技术应用到系统设计中，并对太阳能电池匹配、光电池选型、环境温湿度等环境因子采集等关键技术进行了研究。结果表明，这种光伏农业环境检测与调控系统完全实现能源自给，既节能环保，又极易维护，相比于传统大棚，提高了农产品产量和品质。有助于推动农业生产信息化、自动化。

1 硬件设计

光伏农业环境检测与调控装置包括太阳能供电单元、数据采集单元、数据接收单元和执行单元^[5-6]（图1、图2）。太阳能供电单元由薄膜太阳能电池板连接太阳能控制器和蓄电池组成，太阳能控制器控制蓄电池的充放电，蓄电池为数据接收单元和执行单元供电，太阳能电池板的选择可以根据电池板放置的地点不同而选择晶体硅和薄膜电池，如果电池板固定在大棚的顶端，最好选择透光性好的薄膜太阳能电池板或选择性透光电池板，否则选择价格低廉的晶体硅太阳能电池板进行供电；数据采集单元由土壤温度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、大气压力传感器、湿度传感器、单片机、无线发射模块组成，在PCB板上顺序电连接各传感器、单片机、无线发射模块构成数据采集单元，每个数据采集单元的电力均由无污染蓄电池提供，定期用太阳能电池板给蓄电池充电；数据接收单元由无线接收模块、单片机、显示屏、按键、CAN总线、计算机接口组成，在PCB板上顺序电连接无线接收模块、单片机、显示屏、按键、CAN总线、计算机接口构成数据接收单元。数据接收单元通过串口将数据传输到计算机进行分析，同时也能接收计算机发来的数据，并执行相应的动作。执行单元由驱动电路连接电机、LED补光灯组成，电机驱动风扇、卷帘、滴灌设备。其中，LED补光灯由红色LED、蓝色LED先串后并组成。

选择高标准、无污染蓄电池，通过太阳能控制器为装置供电，数据采集单元的n个经过编号的数据采集节点将采集到的温湿度等环境参数通过无线发送，数据接收单元中单片机依次接收采集节点的数据，通过CAN总线将简单处理后的数据送入计算机，上位机软件对数据进行处理和分析，通过执行单元驱动相应设备执行相应的动作，达到闭环控制；用户根据植物品种不同，设置相应的上限参数^[7-8]。

2 软件设计

本光伏农业环境检测与调控装置下位机（数据采集模块）软件由KEIL C按模块化设计方式进行设计，功能包括无线初始化、数据采集和发送等。考虑到光伏农业工程较大，大面积、长距离的无线数据传输无法实现，故数据采集采用无线技术和CAN总线技术互补形式，在最低级节点采取无线采集和发送，高端级别的节点采用CAN总线采集和发送数据，同时高端级别的节点能接受上位机发送的命令，并能执行。

上位机系统由2部构成，控制监控系统和互联网信息远程监控系统，上位机系统功能框见图3。上位机的数据采集座100 m2的大棚数据采集、补光、照明用等用途。多余电量也可以并网卖给国家。

5 结论

设计并实现了光伏农业环境检测与调控装置，开发了上位机软件，并对光伏与LED等的匹配进行评估，记录了影响环境因素的各个参数并作了分析。

本装置适合在偏远地区，特别是无市电的大棚和温室，无法进行环境参数测量和控制的地方使用。

根据该装置测得的数据，合理调控环境的各个参数，充分利用太阳能光伏优势，能够提高农作物产量和品质。

参考文献：

[1]盛 绛，滕国荣，严建华，等. 太阳能光伏水泵在农业方面的应用[J]. 农机化研究，2008（12）：198-200.

[2]彭梅牙. 新余市大力发展光伏农业[J]. 南方农机，2012（2）：4-6.

[3]魏海峰，李萍萍，包晓明. 基于同步整流的光伏水泵数字控制器[J]. 农业机械学报，2009，40（11）：94-98.

[4]赵春江，杨金焕，陈中华，等. 太阳能光伏发电应用的现状及发展[J]. 节能技术，2007，25（5）：461-465.

[5]张仁贡. 农村水能与太阳能混合发电系统的设计与应用[J]. 农业工程学报，2012，28（14）：190-195.

[6]Neelakanta，Perambur S，Harshad D. Robust factory wireless communications：A performance appraisal of the blue tooth and the ZigBee collocated on an industrial floor[J]. IEEE Computer Society，2003（3）：2381-2386.

[7]杜尚丰，李迎霞，马承伟，等. 中国温室环境控制硬件系统研究进展[J]. 农业工程学报，2004，20（1）：7-12.

[8]王忠义，陈端生，黄 岚. 温室植物生理指标监测及应用研究[J]. 农业工程学报，2000，16（2）：101-104.

[9]陈端生. 中国节能型日光温室建筑与环境研究进展[J]. 农业工程学报，1994，9（1）：123-129.

[10]王松涛，冯广和，陈端生，等. 论我国设施园艺建设的宏观管理[J]. 农业工程学报，1999，15（1）：159-164.endprint

摘要：光伏农业就是将太阳能发电广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力提供等领域的一种新型农业。本研究设计了光伏农业环境检测与调控方案，将CAN总线技术、无线技术应用到系统设计中，并对太阳能电池匹配、光电池选型、环境温湿度等环境因子的采集等关键技术进行了研究。结果表明，该光伏农业环境检测与调控系统能够及时调控温室的环境因子，提高农作物的产量和质量。

关键词：光伏农业；环境检测；温度；设施农业

中图分类号：X382 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0316-03

光伏农业就是将太阳能发电广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力等领域的一种新型农业^[1-3]。包括光伏农业并网发电、太阳能杀虫灯、光伏大棚、光伏养猪等应用，它是太阳能光伏发电与设施农业的有效结合，一方面太阳能光伏电站可运用低成本的农地直接发电；另一方面将太阳能光伏发电系统、光热系统及新型纳米仿生态转光膜技术综合嫁接到传统温室大棚，根据不同植物生长对不同波长光的需求，进行波长转换以便作物吸收，增强光合作用；另外白天存贮的太阳能晚间用于给LED补光灯供电，提高作物的品质^[4]。但是，相关光伏农业环境检测与调控关键技术研究报道较少，黑龙江大学邱成军教授带领的团队多年来一直从事智能控制技术、设施农业自动装置的研制，团队中拥有懂得薄膜太阳能、系统集成、智能控制技术、设施农业、农业种植等领域的最先进的技术人才。本研究设计了光伏农业环境检测与调控方案，将CAN总线技术、无线技术应用到系统设计中，并对太阳能电池匹配、光电池选型、环境温湿度等环境因子采集等关键技术进行了研究。结果表明，这种光伏农业环境检测与调控系统完全实现能源自给，既节能环保，又极易维护，相比于传统大棚，提高了农产品产量和品质。有助于推动农业生产信息化、自动化。

1 硬件设计

光伏农业环境检测与调控装置包括太阳能供电单元、数据采集单元、数据接收单元和执行单元^[5-6]（图1、图2）。太阳能供电单元由薄膜太阳能电池板连接太阳能控制器和蓄电池组成，太阳能控制器控制蓄电池的充放电，蓄电池为数据接收单元和执行单元供电，太阳能电池板的选择可以根据电池板放置的地点不同而选择晶体硅和薄膜电池，如果电池板固定在大棚的顶端，最好选择透光性好的薄膜太阳能电池板或选择性透光电池板，否则选择价格低廉的晶体硅太阳能电池板进行供电；数据采集单元由土壤温度传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器、大气压力传感器、湿度传感器、单片机、无线发射模块组成，在PCB板上顺序电连接各传感器、单片机、无线发射模块构成数据采集单元，每个数据采集单元的电力均由无污染蓄电池提供，定期用太阳能电池板给蓄电池充电；数据接收单元由无线接收模块、单片机、显示屏、按键、CAN总线、计算机接口组成，在PCB板上顺序电连接无线接收模块、单片机、显示屏、按键、CAN总线、计算机接口构成数据接收单元。数据接收单元通过串口将数据传输到计算机进行分析，同时也能接收计算机发来的数据，并执行相应的动作。执行单元由驱动电路连接电机、LED补光灯组成，电机驱动风扇、卷帘、滴灌设备。其中，LED补光灯由红色LED、蓝色LED先串后并组成。

选择高标准、无污染蓄电池，通过太阳能控制器为装置供电，数据采集单元的n个经过编号的数据采集节点将采集到的温湿度等环境参数通过无线发送，数据接收单元中单片机依次接收采集节点的数据，通过CAN总线将简单处理后的数据送入计算机，上位机软件对数据进行处理和分析，通过执行单元驱动相应设备执行相应的动作，达到闭环控制；用户根据植物品种不同，设置相应的上限参数^[7-8]。

2 软件设计

本光伏农业环境检测与调控装置下位机（数据采集模块）软件由KEIL C按模块化设计方式进行设计，功能包括无线初始化、数据采集和发送等。考虑到光伏农业工程较大，大面积、长距离的无线数据传输无法实现，故数据采集采用无线技术和CAN总线技术互补形式，在最低级节点采取无线采集和发送，高端级别的节点采用CAN总线采集和发送数据，同时高端级别的节点能接受上位机发送的命令，并能执行。

上位机系统由2部构成，控制监控系统和互联网信息远程监控系统，上位机系统功能框见图3。上位机的数据采集座100 m2的大棚数据采集、补光、照明用等用途。多余电量也可以并网卖给国家。

5 结论

设计并实现了光伏农业环境检测与调控装置，开发了上位机软件，并对光伏与LED等的匹配进行评估，记录了影响环境因素的各个参数并作了分析。

本装置适合在偏远地区，特别是无市电的大棚和温室，无法进行环境参数测量和控制的地方使用。

根据该装置测得的数据，合理调控环境的各个参数，充分利用太阳能光伏优势，能够提高农作物产量和品质。

参考文献：

[1]盛 绛，滕国荣，严建华，等. 太阳能光伏水泵在农业方面的应用[J]. 农机化研究，2008（12）：198-200.

[2]彭梅牙. 新余市大力发展光伏农业[J]. 南方农机，2012（2）：4-6.

[3]魏海峰，李萍萍，包晓明. 基于同步整流的光伏水泵数字控制器[J]. 农业机械学报，2009，40（11）：94-98.

[4]赵春江，杨金焕，陈中华，等. 太阳能光伏发电应用的现状及发展[J]. 节能技术，2007，25（5）：461-465.

[5]张仁贡. 农村水能与太阳能混合发电系统的设计与应用[J]. 农业工程学报，2012，28（14）：190-195.

[6]Neelakanta，Perambur S，Harshad D. Robust factory wireless communications：A performance appraisal of the blue tooth and the ZigBee collocated on an industrial floor[J]. IEEE Computer Society，2003（3）：2381-2386.

[7]杜尚丰，李迎霞，马承伟，等. 中国温室环境控制硬件系统研究进展[J]. 农业工程学报，2004，20（1）：7-12.

[8]王忠义，陈端生，黄 岚. 温室植物生理指标监测及应用研究[J]. 农业工程学报，2000，16（2）：101-104.

[9]陈端生. 中国节能型日光温室建筑与环境研究进展[J]. 农业工程学报，1994，9（1）：123-129.

[10]王松涛，冯广和，陈端生，等. 论我国设施园艺建设的宏观管理[J]. 农业工程学报，1999，15（1）：159-164.endprint