基于分时电价的助农车智慧棚

王振+王洁

摘 要：针对现阶段农业生产中存在的问题，文中设计了基于分时电价的助农车智慧棚。系统采用CC2530处理器作为控制中心，通过各种传感器能实现对室内外环境因子的监测、数据显示和采集，不仅无需人工干预和操作，还可预防自然灾害，监测是否存在拥有非法动机的人群或者动植物的入侵行为。

关键词：分时电价；助农车智慧棚

1 作品简介

（1）控制系统

根據设计要求，我们认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下方案并进行综合论证。采用单片机作为整个系统的核心，控制系统内的各个变量，以实现既定的性能指标。在IAR集成开发环境下，由STM32单片机作为本设计的主控装置。

（2）助农车模块

所有装置都安装在小车上，由电动机驱动小车前进。采用齿轮、双轮差动驱动，地面灰度传感器通过识别地面的黑线来移动，将小车放在黑线上，黑线居于两个地面灰度传感器中间，通过程序控制，利用两侧车轮的转速差实现行进。

水泵安装在小车前部，通过单片机程序调整水泵转速，对泵压进行调节，以适应不同高度的喷施作业，可通过开关自动控制喷药施肥的高度。小车后部安装两根竖翼，在竖翼上安装处于不同位置的喷头，药肥在水泵压力下，通过喷头喷洒到植株叶面。喷药的喷头可以自动旋转，使喷药更为均匀。小车功能的实现都由程序控制，可随时根据需要修改程序，以调整机器适应实际工作条件。在不喷药施肥时，通过安装在小车上的摄像头对整个大棚进行监测，并将其监测画面传送到电脑上，方便实时查看。

（3）智慧棚模块

该系统采用CC2530处理器作为控制中心，通过各种传感器能实现对室内外环境因子的监测、数据显示和采集。

通过反馈系统，根据室内外气候条件的变化，可对温室的天窗、侧窗、遮阳幕、鼓风机、加热器等设备进行精细控制，完成温室的通风降温、除湿、加湿、遮阳保温、智能加温、空气绕流、补光补气、科学灌溉、施肥、抗风、防雨雪、pH值、EC值的检测与调节、故障报警等功能。为温室种植提供更易管理，便于操作的全新方法。

（4）其他辅助模块

分时电价由程序实现，当达到某些条件时，自动选择最近一段电量最低的时间段进行操作；显示模块采用最小系统中的TFT LCD显示；由电源模块太阳能板供电，清洁能源低碳环保。

2 工作原理

因为温室蔬菜基本都呈直线排列，且植株高度在同一时期基本一致，所以文中设计了一款采用STM32处理器的基于分时电价的太阳能智能喷药施肥机，通过CC2530处理器控制电机驱动、无线遥控、传感器检测、指示灯显示等；上位机采用2410处理器，负责图像处理、无线传输等。下位机部分包括传感器采集模块、电机控制模块、无线电接收发送模块、烧写调试模块。该小车搭载有储存药肥装置和水泵，水泵可以自动泵药。药液喷洒浓度和面积都可以通过喷头设置。药液喷洒的高度可以通过竖翼的位置进行调节。小车的运行路线可以由程序设置，由安装在小车前侧的寻线传感器控制和实现，小车的行进速度由程序设置。小车可以实现自动转弯功能，对一整间温室大棚植株进行喷药施肥，期间无需任何人工干预和操作，极大地提高了智能化程度，降低了危险性。为了节约能源，减少污染，小车动力源采用太阳能蓄电池。

大棚内环境的监测与控制由传感器实现。该系统采用CC2530内核作为控制中心，通过温湿度传感器、压力传感器、热式红外传感器等模块实现对大棚内的温度、光照、二氧化碳浓度等的智能调试，考虑到作物反馈作用机制，方便对大棚内的环境进行适当调节。当环境温度超过28℃或者二氧化碳浓度达到一定量时，大棚的窗户会自动打开进行散热和通风。液晶屏上显示有温度、湿度、压力、红外、麦克、分时电价等，可实现实时监测。对于压力传感器，可以称重喷药施肥机中水的重量，或者农作物收获时的蔬菜等作物重量。另外智能大棚中增加了安全设施，包括无线摄像头、红外检测和报警设施。以此来预防自然灾害、有非法动机的人群或者动植物的入侵行为。

3 创新点

创新点一：分时电价

我们设计的系统可以与电网主站进行信息交互，实时获取最近的分时电价信息。然后根据分时电价信息制定电源投入运行时间段控制策略，从而保障居民用户的电费开支最低。白天当光照强度高于一定值时，启动电动遮阳帘，当晚上的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度低于一定值时，在最近的一段分时电价区域中选择电费最低的阶段运行电子加热器、电动水泵、植物生长灯与换气风扇，实现智能能量管理系统节能降耗的功能。

创新点二：闭环反馈

闭环控制是控制论的一个基本概念，作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响。通过温湿度传感器、压力传感器、热式红外传感器等模块实现大棚的自动化控制。当环境温度超过28℃或二氧化碳浓度达到一定量时，大棚的窗户会自动打开进行散热和通风。当外界无光照时，开启植物生长灯，提供植物所需的光照时间。

4 市场前景

现代温室是设施栽培技术的最新发展，采用控制环境的方法，使植物常年具有良好的生长环境。由于不同的植物有不同的环境需求，而同一植物在不同阶段对环境的要求也不同，因此建立不同的温室作物生长模型十分必需和追切。但作物模型的研究是一个难题，需要多个生产周期的研究和实验积累与较长时间的数据采集，国内对这方面的研究刚刚起步。由于温室内的作物生长是温度、光照和湿度等生长环境因子综合作用的结果，故不能将这些因子分开，单独、静态地考虑，而应从整体上动态研究环境控制问题，即研究如何以一种比较经济的环境控制方法较好地满足植物工厂化生产的需要，这是提高现代温室生产经济效益需要研究解决的问题。

在信息化和网络化的今天，现代化温室系统应该充分利用网络资源，实现资源和数据的共享，随时掌握国内和国际市场动态，制定出最佳的种植计划。温室递阶分布式信息系统的下位机包含多变量控制、远程控制、完成每日数据记录等功能。其监控计算机中安装有庄稼管理系统，包括数据分析（多变量分析、谱分析、图像分析），系统分析（控制理论、系统动力学、系统工程），三维图像系统（CAD、图像处理、图像数据捕获），数据库（气候、庄稼、温室、控制等），规则库（庄稼、气候、 疾病、市场等），网络（局域网、国内网、国际网），控制系统（物理特性、庄稼测量、肥水控制等），农业专家系统（推理系统、用户界面），作物长势分析（叶、茎、果实、产量预测）等。endprint

温室系统的控制过程及干扰模型是未知的，且难以辨识，具有许多不确定性，例如外部气候突然变化，灾害天气突然出现等。因此用传统的控制方法难以建模，难以有效控制温室过程控制中诸多高度非线性问题。传统控制理论虽然也有一些非线性控制方法可用，但非线性理论远不如线性理论成熟，加之温室控制过程的复杂性，使得这些非线性理论难以实用。温室生产过程存在许多半结构化与非结构化问题，难以建立定量分析的数学模型，因此传统采用微分方程、状态方程的数值计算方法只局限在简化和近似的不精确范围内，难以实现精确控制。

温室生产过程的各子系统之间关系错综复杂、相互制约，如作物模型和环境控制的制约关系、环境控制和经济运行成本的耦合关系等，更重要的是种植规划制定和温室系统运行脱离不了人为因素，而人的行为又带有主观性质，所以温室控制过程存在许多不可确定性问题。总之，温室生产过程具有客观复杂性和认识复杂性，是一个复杂过程系统，因此，对温室的控制需运用复杂系统理论提供的新概念、新方法解决其不确定性、不精确性、部分事实、非线性、强耦合等问题。加强控制理论同生产实际的密切结合，引入智能化方法、智能技术以及知识工程方法，形成不同形式的既简单又实用的控制结构和算法，形成包括计算机监控系统在内的人机智能系统，是温室先进控制的发展方向。

我国现代化农业是在机械化、信息化发展极其薄弱的基础上发展的。智慧农业在外部环境下，被赋予了更多统筹协同思想和更高期望。智慧农业需要充分利用信息技术，包括更透彻的感知技术、更广泛的互联互通技术和更深入的智能化技术，使得农业系统的运转更加有效、智慧，以期达到农产品竞争力強、农业可持续发展、有效利用农业资源和环境保护的目标。

以应用（硬件和网络平台以及服务）为基础的智慧农业市场有望从2016年的90.亿美元达到2022年184.5亿美元的规模，年均复合增长率达13.8%。对农业新技术的进一步采用和全球对食物需求的上升是该市场增长的主要驱动力。连接技术运用于精准农业、畜牧业监测、渔业、智慧温室等领域。诸如云计算、ZigBee无线通讯技术、无线感应网络以及其它连接技术可以提升产量产能。云计算提供农场土地的实时数据，以协助规划、购买、存活管理、种植、收割等。感应器、灌溉控制、可变速率技术（VRT）以及其它技术可以帮助减少投入并提升土地的产出。

GPS/GNSS有望占据2015年智慧农业中硬件和网络平台市场中的较大份额。GPS用于拖拉机导航、可变速率技术、土壤条件监测、畜牧养殖跟踪等。GPS技术提供多项优势，诸如将重叠操作和喷施隔离的范围最小化，减少肥料使用，降低化学农药的开支，并最大程度降低对环境的影响。

精准农业应用有望占据智慧农业市场应用领域最大市场份额。智慧农业优化农田使用效率以及使用中的操作。精准农业可帮助种植者将农田进行区块划分，根据不同区块进行不同操作，以最大化产量，最小化投入成本。产量监测是精准农业的重要组成元素，通过设置在收割机中的感应器观测湿度以记录特定区块的产量数据。

系统整合器在软硬件设备整合中具有重要作用，所以在农业服务领域占据较大的市场规模。系统整合器也用于解决问题以及诊断农业管理解决方案，而这也用于开发与软硬件设备相关的新概念。2022年北美有望占据最大的市场份额，亚太地区在该预测期间有望取得最高的复合增长率。北美地区是精准农业操作的先驱者之一，随着技术不断改进，设备售价逐步降低，考虑到社交媒体的运用以及在线媒体的传播等因素，北美地区对连接技术的使用目前正在不断增长中。

该领域的主要代表包括约翰迪尔（美国），Trimble（美国），Ag Junction（美国），Raven（美国）及AGCO（美国）。这些公司采用不同的战略攻占市场，例如新产品开发、合作、业务扩张等。endprint