自动检测与智能控制的温室果蔬生长优化系统设计

林赟杰 吕偿 林柄创 李嘉豪

摘 要：本系统采用单片机Arduino作为控制核心，对大棚的空气温度、湿度进行实时检测，采用独特的数字式温湿度传感器DHT11同时采集温度与湿度数据，通过检测自动选择相应的控制模块对温室大棚环境情况进行调整，实现自动化温室大棚的控制，同时考虑多个因素，优化果蔬生长环境。

关键词：Arduino;智能自动控制;温室大棚

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0028-03

Abstract： This system uses the single chip microcomputer Arduino as the control core to detect the air temperature and humidity of the greenhouse in real time， uses the unique digital temperature and humidity sensor DHT11 to collect the data of humidity and temperature at the same time， and automatically selects the corresponding control module through detection to adjust the environmental conditions of the greenhouse， so as to realize the control of the automatic greenhouse， and  considers multiple factors to optimize the growth environment of fruits and vegetables.

Keywords： Arduino;intelligent automatic control;greenhouse

我国是农业大国，以前的农业种植采用的是人力劳作方式。随着科技的发展，种植手段已然改变，科学家将智能化带入农业，为农民带来了福利。但是，随着经济的发展，工业、商业和住房用地不断增加，使得耕地逐年减少。除此之外，地理、环境、天气等因素对农作物的生长影响尤为重要。

目前，我国温室种植果蔬以人工操作为主，属于经验型管理模式，人工管理的弊端在于对果蔬生长环境的调控存在人为偏差，局限性较大，难以做到大面積的管理。现在，温室大棚大多利用人工操作来创造适合植物生长的环境，这种方式耗费人力，不能准确达到植物所需的环境要求，也不能长期保持植物所需的生长环境。同时，现有的智能化温室控制系统不具有远程控制功能，也不具有远程传输数据的功能，因此，设计一种智能化温室控制系统是很有必要的。通过对果蔬生长环境变化因素的检测，智能化温室控制系统可以适时进行调控，使生长环境逐步达到最佳状态。

本文设计了一种智能化温室大棚控制系统，该系统可以对温室大棚内的空气温湿度、光照强度、土壤温湿度等参数进行采集和处理，通过控制器汇总各种参数数据。用户可以通过云服务器，随时随地查看温室大棚内的情况，并控制卷帘和风扇。该系统降低了农民的劳动强度，提高了农作物的产量，增加了农民的收入。

1 智能控制系统

本系统采用单片机Arduino Mega2560作为控制核心，其具有检测方便、操作简单等优点，在节约成本的同时大幅度提高检测效率。该系统运用单片机对大棚的空气温度、湿度进行实时检测[2]，采用独特的数字式温湿度传感器DHT11同时采集湿度与温度数据，利用LCD1602蓝白显示屏对当前温度值与湿度值进行实时显示。传感器由电阻式感湿元件和测温元件组成，实时对空气的温湿度进行检测并反馈。该传感器具有性价比高、反应灵敏、抗干扰能力强等特点。

采用响应速度快、抗干扰性能优越的固体二氧化碳传感器模块对大棚二氧化碳浓度进行实时检测，同时及时将检测数据反馈给系统，并且用LCD1602直观显示数值，实现实时检测二氧化碳浓度[1]。数字型集成电路光传感器BH1750FVI采用两线式串行总线接口，可以在较大范围采集环境的光照强度值，用户可通过按键调节光照强度上下限，用二极管模拟大棚日光灯为植物进行光补偿。本设计采用土壤检测模块对土壤湿度进行数据检测，并把数值反馈到系统，同时根据设置的土壤湿度参数判断是否增加土壤湿度。此传感器常插入土壤，用于土壤湿度检测，传感器与土壤紧密接触，能最大限度减少空气间隙，以获得更准确的测量数据。

2 功能设计

2.1 DHT11数字温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款湿温度一体化的数字传感器，电路原理如图1所示。该传感器由测温元件和电阻式测湿元件构成，并且与一个8位单片机连接，能够与单片机连接，对本地湿度和温度进行实时采集[3]。

本设计采用DHT11数字温湿度传感器检测大棚的土壤温湿度，它具有抗干扰强、响应速度快、校准度高的特点，因此在大棚中广泛应用。DHT11数字温湿度传感器可以有效收集大棚数据，通过输出已校准的信号检测大棚空气温湿度，采样周期为3 s左右，为可接范围，它通过AD转换获得空气温湿度数据，然后将其反馈到系统中进行数据对比，系统再决定下一步操作。

2.2 MG811二氧化碳传感器

MG811二氧化碳传感器对CO2有良好的灵敏度和选择性，作为传统的二氧化碳传感器，其受温湿度的变化影响较小，有良好的稳定性和再现性，其电路图如图2所示。气体通过气敏材料时会产生离子，出现电动势，人们可以通过测量电动势来检测气体浓度。这种传感器电导率高，灵敏度和选择特性好，非常适合运用到本系统设计中。

2.3 BH1750FVI集成电路光传感器

BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，其工作原理如图3所示。这种集成电路能够根据电路中传感器所采集的光强数据来调节设备的光暗强度，使得人的视觉感官更舒适。由于它的分辨率高，能進行大范围的数据检测，所以传感器检测结果比较精准。

2.4 土壤湿度传感器

湿度传感器主要由湿度检测电路和声报警电路组成。埋在植物根部的土壤水分传感器可以检测土壤的水分，该传感器利用检测电路将检测到的湿度参数电信号经由编码器传到主控制器，主控制器决定控制状态。主控制器通过传输电信号系统对湿度的参数高低进行判别，根据实时湿度条件与标准湿度值控制水源电磁阀的开启或关闭，达到系统自动控制土壤湿度的目的。此外，当空气湿度传感器检测到空气湿度较大并反馈到系统时，主控制器将控制系统停止灌溉。显示设备可以呈现实时数据，灌溉时间可以人为设计。当系统发生故障，长时间出现数据异常时，系统会发出故障警报。主控制器可以连接到云端设备，实时反馈运行情况并存储数据，在跟踪系统运行状况的同时可以随时调取历史数据。

3 软件设计、调试和测试

本综合控制系统程序采用C语言编写，主程序采用无限循环的方式。首先，程序使能各个模块最终组合成一个子程序，主程序分别调用各个模块的子程序函数，在每一个子程序执行后都进行数据对比，分步调试后对整个系统进行联合调试，最后对硬件系统进行调试。试验数据表明，本系统可以实现实时的信号采集、数据反馈、数据存储以及数据处理。

该系统在调试完后将应用到温室大棚里进行模拟测试，通过传感器的工作原理推导出数学计算公式，再通过C语言编程构建传感器的使能程序。系统将接收到的数据信息与人为预先设置的数据进行比对，如果发现其与设定参数不符，就会通过软件编程反馈到单片机进行模块操作。模拟测试流程如图4所示，程序框图如图5所示。

4 结语

大棚果蔬种植不仅与植物遗传特性有关，还与棚内的空气温湿度、二氧化碳浓度、光照、土壤温湿度等因素密不可分。目前，我国温室种植果蔬以人工操作为主，属于传统的经验型管理模式，人工管理的局限十分明显，果蔬生长环境调控存在人为偏差，难以进行大面积管理。智能化温室控制系统可以全程监控影响温室果蔬生长的光照、温度、湿度和二氧化碳浓度数据，将温室果蔬生长环境调控至最佳状态，实现温室的经济效益最大化[5]。现有温室大棚控制系统比较简单，不能同时实现水肥、二氧化碳、光照的控制，本设计的独特之处在于综合考虑多个影响因素，优化果蔬生长环境，并通过检测控制模块自动调节温室大棚环境，实现果蔬生长环境的精准控制。当前，科学技术不断革新，随着温室大棚的推广和普及，智能化温室大棚将大大提高果蔬种植效率，最终创造更好的经济效益。

参考文献：

[1]吴强.温室大棚监测控制系统研究[D].南京：南京林业大学，2016.

[2]刘守义，杨宏丽.单片机应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016.

[3]钟富昭.8051单片机典型模块设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4]毕玉革，麻硕士.我国现代温室环境硬件控制系统的应用现状及发展趋势研究[C]//2008农业生物环境与能源工程国际论坛.2008.

[5]袁玲珑.温室环境因子监控系统的研究[D].武汉：华中农业大学，2005.

[6]杨学坤，蒋晓，诸刚.温室环境控制技术的研究现状与发展[J].中国农机化学报，2013（4）：16-18.

[7]周曼丽.植物工厂环境控制系统的设计[D].镇江：江苏科技大学，2012.