温室大棚自动温湿度光强检测及紫外光杀虫混合装置设计

刘鑫彤 张 勇＊ 曹佩洪

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）

1 概述

随着绿色农业、科技农业的发展，我国传统的温室大棚也不断地处于改进之中。传统的温室大棚采用药物灭虫，果蔬有部分药物遗留，对人体不利。另外大棚的温度湿度也对蔬菜的生长起着至关重要作用，也需要智能化调控。本文设计一种智能化大棚温湿度检测装置及紫外线杀虫装置，让农村大棚管理变得简单化和智能化，而且避免传统农药杀虫的危害。

2 自动温湿度光照检测设计与制作原理

2.1 控制系统结构与硬件设计

大棚内温度湿度检验测试装置应用AVR 单片机作主控制器，应用模块化处理。模块化中有射频模块nRF24L01，数字显示屏LCD 和单片机ATmega8 以及温湿度传感器（SHT10）和光强传感器（BH1705）共同组成[1]。传感器对所需数据检测，并把检测数据传送到主控制器即AVR 单片机中进行处理，并在显示屏上显示，是人工对数据分析调整。系统传感器检测模块原理如图1 所示[2]。集成模块（SHT10）的1、4 管脚接芯片的外部电源为芯片内部供电。2 管脚DAT 与AVR 单片机PD4 连接实现温湿度传感器监测数据与主控制器数据实时传输，传感器3 管脚SCLK 是单片机PD3 通信的同步时钟信号，实现空气温湿度参数的实时采集[3]。光强度传感器BHT1750 模块的1、4 管脚接芯片的外部电源为芯片内部供电。模块SCL 和SDA 管脚把外部监测得到光强的信号传给AVR 单片机的PD6 和PD7 管脚，实现光强度的实时检测[4]。AVR 单片机通过连接nRF24L0 的28 管脚为选择模式开关、PC4 管脚为时钟配置、PC3 管脚数据从PC4 在输出、7 管脚数据从PC3 管输入、5 管脚时钟（片选）信号、8 管脚遮蔽，实现温室温湿度、光强度等环境参数的无线传输。

图1 传感器检测模块原理图

2.2 温湿度及光强检测程序设计

两个集成模块（SHT10、BHT1750）实现对空气的温湿度检测和光照强度的检测并通过nRF24L01 模块实时把检测数据传送给AVR 单片机模块，这时我们把AVR 单片机模块的温湿度光照强度设定值相比较并控制风机或喷雾电磁阀的开关以及遮阳控制装置，进而使空气温湿度及光照强度满足控制要求。控制的流程：当温湿度检测和光照强度装置打开并完成程序初始化检测后，通过温湿度传感器采集检测环境温度湿度的数值，并把检测的数值通过集成模块（nRF24L01）传输给主控制器的温湿度及光强存储器，并把它与主控器的给定值进行数值比较处理，判定是否开启加湿装置、加热器装置以及遮光装置从而节温室大鹏内温湿度和光照强度，同时判别现在所处温度、温湿度及光强如果超过设定数值的一项或超过多项，安装的报警装置报警。在极端环境下实现人工干预。主控制器（AVR）和集成模块（nRF24L01）共同作用实现温度、湿度及光强度等系统设定值相比较，使加热、加湿、遮阳等自动开启和关闭，能够在一定程度上满足大棚蔬菜在对生长环境的外部要求[2]。

3 紫外光自动杀虫装置控制系统

3.1 紫外光杀虫灯原理

紫外光自动杀虫灯是利用太阳能电池板提供的电源作为用电来源，晚上放电给紫外杀虫灯具，供其工作。杀虫灯具是利用紫外光对昆虫具有杀伤作用而杀虫的，紫外灯也叫黑光灯，多种害虫对长波紫外光敏感，在一定范围的波长内对昆虫有诱导作用，即引诱害虫扑向灯的光源，达到灭杀害虫的目的。可以诱杀地下害虫、杂粮类害虫、蔬菜类害虫、果树害虫、森林害虫、草原害虫等。

3.2 紫外光杀虫灯控制系统

本文针对农业无污染杀虫和温室大棚的环境监控需要实时性、不间断行性、周期性的特点，提出了一种基于WSN 的紫外光杀虫灯系统。该系统采用ZigBee 与GPRS 相结合的远程无线传输方式，将ZigBee 局域网内的杀虫灯状态和采集的相关数据信息通过GPRS 无线模块采取TCP/IP 方式传输到后台信息中心[5]。紫外光杀虫灯控制系统主要由主控制器核心模块、蓄电池充放电控制模块、负载输出模块、充放电保护电路、负载保护电路等组成。紫外光杀虫灯控制系统如图2[6]，其逆变电路主要脉冲振荡（NE555 模块）电路、达林顿管电路、升压电路等组成。脉冲振荡电路发出的脉冲信号为方波。3 管脚输出全脉冲信号至达号林顿管（VT1、VT2），使得VT1 与VT2 处于工作状态。高频变压器与VT2 集电极相接，12V 电压在高频变压器原副线圈及电磁场转换中升到21kV。预设20000 赫兹输出时间与总时间的比值为脉冲的50%。R4，C7 的取值图中按图中所示。实验可知，脉冲振荡（NE555）输出的脉冲信号在示波器上显示为正脉冲，没有负脉冲，使得输出的高压低于百分之五十。改进方法在脉冲振荡（NE555）3 管脚串联10μF 电容解决了没有负脉冲问题，全脉冲信号给升压变压器，最终由桥式二极管整流和升压电路将2kV 电压升到20kV。高压电网电弧杀虫快速无污染，实现绿色杀虫的目的。灵活调整杀虫灯的开启时间，同时也可以改变紫外光的变化，达到定向杀虫的目的，减少对有益昆虫的杀害，使其变得更灵活、更高效。

图2 紫外光杀虫灯控制电路图

4 温室大棚检测装置主体设计

4.1 温室大棚检测装置结构设计

常见的温室大棚设计比较简单，温湿度检测常常用温湿度计或直接用温度计加观测经验检测湿度和光照强度。没有遮光设计，中午前后使得温室大棚温度骤生，对蔬菜水果伤害较大。有些比较先进自动化温室大棚传感器安装在不可动的地方，检测的数值不准确，很难达到理想的调节环境舒适度，利于蔬菜水果的目的本文设计一个可的升降装置把其安装在大棚的最高处即棚顶龙骨上，把温湿度传感器根据需求调节高度，温湿度传感器要放在保护护装置中，设计为百叶窗装置，空气流通顺畅，同时在百叶窗防护装置上设置太阳能遮光伞既能遮光还能发电[7]。光强传感器则放在遮阳装置外，能更准确地检测光照强度。

温室大棚传感器放在能自动升降可调节的木箱中，木箱外安装电机，滑轮升降滑道，滑轮、升降杆，升降钢丝，木箱侧面安装有百叶窗，顶端装有太阳能遮光伞。（1）自动升降系统：包括升降木箱及木箱外安的装电机，滑轮升降滑道，滑轮、升降杆，升降钢丝，木箱侧面安装有百叶窗，顶端装有太阳能遮光伞。升降木箱顶部通过挂钩悬挂在棚顶钢骨架上固定住；升降木箱底部固定可转转动的轴承，轴承上安装滑轮，滑轮安装在滑道上，可上下滑动，升价钢丝和升降杆连接，升降杆在木箱侧面，防止木箱升降时偏离竖直位置，升降钢丝和滑轮使木箱上下升降。（2）检测系统：包括木箱和温湿度传感器、光强传感器。木箱顶部有遮光伞，遮光伞顶部有吊环和升降钢丝栓接；遮光伞上表面装有太阳能电池板，即能发电又能防止阳光直射保护箱；保护箱侧壁设有若干百叶窗叶片，方便保护箱内空气通畅；温湿度传感器固定在防保护箱中间，光强传感器太阳能电池板外部。通过木箱升降和检测系统的自动检测，把得到的数据传给主控制器，随时关闭打开加热、遮阳、加湿装置等调节环境温度，把最适宜蔬菜水果生长的环境调节好。

4.2 温室大棚控制系统设计

温室大棚控制系统包括：感知端、信号传输端、人工控制端、和网络端。感知端的传感器分布在大棚内的不同位置，检测温室大棚内的温湿度和光照强度。采集的数据后传给主控制器。人工控制端信号传输和可视端组成：在大棚内通过多个传感器和控制端可视端自行组织建网；传输方式为无线传输。自行建网的优势可以实现检测数据的实时采集，通过主控制器进行交互处理。通过无线网络传输方式与监控中心连接。根据大棚内温度、湿度、光强、虫害情况等通过传感器得到的参数，对各种设备装置进行控制，包括打开加热器、排风扇、打开加湿器、紫外光灯自动杀虫装置等。网络端，通过人工设置程序建立长期数据库，在数据库中可以随意提取数据，建立线图分析，利用大数据处理系统更好和更完善的处理分析结果。得到该地区蔬菜水果适宜高产的生长环境情况[8]。

5 结论

5.1 本系统将可视化与监控装置有机结合,使得可视化监控管理得以真正实现。构建了一种新型的温室大棚生产体系，发展了科技农业绿色农业。利用现代农业对于温室大棚的需求设计出智能检测装置，以最大程度地满足不同地区对温室大棚的需求。

5.2 利用传感器对大棚内部的温度、湿度、光照强度、虫害情况进行检测，并把检测数据通过无线传输给主控制器，人工控制端和网络端对得到的结果进行分析。再通过设定的程序传输给主控制器和大数据储存分析端，计算机自动打开和关闭加热、加湿、遮阳、杀虫等装置，进行大棚温室环境调节，实现对大棚远程自动控制。这也更好的体现我国发展科技农业、绿色农业的趋势。