基于单片机控制的室内智能养殖种植共生柜控制系统设计

陈星　李微

摘 要：人们在享受城市生活的同时，还向往着农村的田园生活。为了满足很多人的愿望，研制一种智能控制的室内种植养殖共生柜具有现实意义，它采用单片机自动控制系统，在种植养殖所需的温湿度、光照、通风、充氧、水位控制及循环等方面具备自动控制功能，使其柜体内各个硬件设备达到降温、喷雾、照明、通风、加热、水循环等预设效果，特殊的结构设计满足了柜体内种植与养殖的共同需求。

关键词：智能控制；单片机；种植；养殖

中图分类号：S-3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0019-03

The Design of Indoor Intelligent Aquaculture Growing Water Tank

Guide Students' Innovation by TRIZ Theory

CHEN Xing LI Wei

（Nanjing College of Information Technology，Nanjing Jiangsu 210036）

Abstract： People enjoy the rural life while enjoying the city life. In order to meet the desire of many people， it is practicdl significant to develop a kind of intelligent control indoor farming hydroponic box. It adopts fully automatic control system for the cultivation of plant cooling， spray， lighting， ventilation， heating， water cycle， and so on， making its action within the cabinet put oneself in another's position on temperature and humidity， illumination， air condition， water level and water filling oxygen control.

Keywords： intelligent control；single chip microcomputer；planting；breed aquatics

如今，中國城市化迅猛发展，市民数量成倍增长，广大市民在享受城市生活的便利、清洁、高效的同时还向往着农村的田园生活，家里阳台上的花盆、室内小小的鱼缸，也正在承载着市民闲暇之余的田园梦。但有限的室内空间，紧张的城市时间，又限定了市民的田园梦想。基于这样的需求，研制一款适应城市家庭使用的自主种植养殖一体的电器设备也变得很有现实意义。而植物的生长、水生物的养殖，都需要一定的温湿度、光照、空气（二氧化碳、氧气），因此研制的室内自主设备应具有良好有效控制这些参数的功能[1]。

1 产品设计要求

本设备是集养殖与种植于一体的设备，在同一个柜体内实现水中养殖和水面种植两种共生方式，而且对箱体内的温度、空气、光照自动进行实时监控和调整，使其在预设的控制范围内运行，且对于相关参数实现面板的显示和设定，以及本地红外遥控和远程网络监控与参数设置，整体实现智能化管理。

2 产品设计组成

本设备包括支撑单元、控制单元、温湿度单元、光照单元、水循环单元和通风单元。该共生柜可以在外围框架支撑下实现多层自选组合搭配，利用温度传感器、光强传感器、液位器、空气传感器检测数据传输至控制单元，由控制单元按照预定算法给出相应指令，并传递给对应的降温风扇、喷雾系统、照明系统、通风系统、加热装置及水循环系统，使其动作实现对柜体内的温湿度、光照、空气状况、水位及水中充氧的控制，合理满足柜体内种植与养殖共同生长的需要[2]。

该设计产品由柜体结构、智能控制两部分组成，如图1所示。

2.1 柜体部分

柜体部分采用标准角钢型材，由螺纹连接形式搭建支撑框架。柜体可以灵活分成多层（可以根据需求调整层数、层高），并使用粘扣将软材料（塑料膜、布料等）粘在支撑框架上，与顶底两面板共同组建封闭柜体；在顶部面板靠侧边位置安装通风扇，在底部两个侧面留通风口，与柜体内自下而上的风道结构（烟囱效应）构成通风系统，形成自然通风和强迫通风两种模式；柜体底部装有4个万向轮以供移动；柜顶靠前后边分别安装控制盒和电源盒。

2.2 智能控制

智能控制由单片机控制系统控制下各种传感器与相关设备的协同实现。

2.2.1 控制系统硬件组成。①温度控制部分，由空温传感器、水温传感器、调温风扇、喷雾系统、加热棒、静音水泵和电磁水阀构成。②光照控制部分，由光敏传感器、定时器、LED光源构成。③通风控制部分，由定时器、通风扇构成。④水循环部分，由液位传感器、静音水泵构成。⑤控制部分，由单片机、液晶显示模块、8路5V继电器、实时时钟模块及大功率MOS触发开关模块构成。

2.2.2 控制系统软件部分

2.2.2.1 控制原理。该控制系统将实现对温度、光照、通风的控制，其过程为：通过各种对应传感器采集相关信号参数传递至单片机，由单片机依据控制算法与键盘输入的设定参数进行对比和逻辑运算，并给出准确指令，让继电器进行相应开关，从而控制各个硬件设备进行精准动作，控制原理如图2所示。

2.2.2.2 控制系统流程。影响种植和养殖的因素主要是温度、湿度、光照、通风（CO2浓度）等，该控制系统将有效对这些参数进行预定控制，具体要求如下。①温度。需要在柜体内外，水温、空温多变的状态下，对通风装置、加热棒、循环水泵进行相应控制，从而将温度控制在15～35 ℃。②湿度。要根据种植的需要对循环水泵、通风装置进行定时，合理控制，以将柜体内湿度保持在一定数值范围内（30%～80%）。由于该设计为近封闭水箱，循环供给模式湿度基本在30%～80%，而且湿度的多少直接影响温度的变化，因此该系统中并没有特定设置对湿度进行控制。③光照。根据养植对光照强度和时间的需要，依据光照传感器参数对植物生长灯进行控制。④通风（CO2浓度）。定时对通风装置进行控制，从而保持柜体内空气更新。具体工作流程如图3所示。

3 产品设计实现验证

3.1 通风功能验证

基于设计要求，通风模式分为自然通风和强迫通风两种：自然通风由柜体结构自下而上的通风管道构成，其烟囱效应使得通风效果良好；强迫通风由顶端面板上的4个直流风扇完成。验证方式为计时烟雾流动观察，即在柜体底部施放颜色烟雾，观察烟雾走向和到达顶部时间。实验数据，见表1。

通过实验得出结论，两种通风模式均按照风道顺序自下而上运行。从时间看，强迫通风明显比自然通风效果好，满足设计要求。

3.2 温度功能验证

基于设计要求，温度保障由加热棒、风扇、水循环装置来实现。在不同的温度状态下，这些设备均体现各自应用功能。验证方式有两种。一是改变测温传感器温度，观察各个执行单元的执行情况。经验证，执行单元均按照设计要求准确执行。二是在设备内安放智能温湿度检测仪，在一段时间内记录其温度变化情况，从而判断设备的运行状况，具体情况见表2。

由表2可知，设备运行良好稳定，达到设计要求。

3.3 光照功能验证

基于设计要求，光照由自然光照和增补光源（LED灯）来实现，当自然光强小于参数值时，增补光源开始工作。验证方式为：对测光传感器进行光照干涉。实验使用手电光照和密封暗盒来对光敏传感器进行光强的改变，以观察增补光源的开启状态。经验证，达到设计要求，按时开关增补光源。

4 结语

本产品设计是由单片机系统依据传感器参数与预设参数对比及逻辑运算，控制相关硬件设备来实现柜体内环境因子参数的控制，从而满足自动控制种植养殖一体化需求的智能设备。由于各种植物和生物生长对应参数的要求不同，本产品只能将参数设置在一定范围内。影响产品设计的因素很多，设计中还存在一些需要改进的地方，须通过后续的使用验证优化设计，使其更加科学、合理、完美。

参考文献：

[1]王有绪.PIC系列单片机接口技术及应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[2]李广弟，朱月秀，王秀山.MCS-51单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.