温室环境监测控制器的开发和设计

张兆朋

（江苏联合职业技术学院淮安生物工程分院，江苏 淮安 223200）

1 温室监测控制系统功能架构设计

目前有些补光灯是定时补，有些可以实现在光照不足时进行补光，但不能实现在规定的时间内补光，更不方便和温室已有设施直接连接。开发温室环境监测控制产品，如图1 所示，在设定的时间光照强度低于植物补偿点时，插座通电，光照强度达到饱和点时，插座断电，用户根据需求，可以将插座连接不同的补光灯，通过光控插座控制补光灯的亮灭，操作方便，通用性强。土壤湿度控制可以手动也可以自动浇水，当土壤干燥时，红LED 发光，提醒浇水，湿度适宜时，绿LED 发光，可以浇水也可以不浇水，含水量达到上限时，蓝LED 亮，提醒停止浇水，当温室无人时，提前把电磁阀插头连接到湿控插座，实现自动浇水；同时利用温湿度传感器监测温室内的空气温度和湿度，并显示在液晶屏上，温度过低或过高，启动蜂鸣器发出响声，方便管理人员采取措施。

图1 温室环境监测控制系统

2 温室监测控制系统功能实现

如图2 所示，温室监测控制系统包括单片机、湿控插座、光控定时插座、继电器、LED 显示、液晶屏显示、执行器和各种传感器，传感器包括土壤湿度传感器、光照传感器、空气温湿度和超声波传感器，传感器检测到的信号传输到单片机，单片机根据检测到的信息，控制不同颜色LED 发光、继电器触点通断、液晶屏显示，并通过继电器控制光控插座和湿控插座的通电与断电，通过电脑可以实时查看温室的环境。

图2 温室环境监测控制电路图

2.1 土壤湿度检测控制

植物育苗期是植物比较脆弱的一个阶段，若依靠人工经验进行喷灌，易造成育苗失败[1]。如图2 所示，土壤湿度传感器引脚AO 连接到单片机引脚A0，红LED、绿LED、蓝LED 的阳极分别连接单片机的11、10、9 三个引脚，三个LED 的阴极接地，单片机引脚1 连接继电器，电源插头火线连接到继电器常开触点的一端，湿控插座的火线连接到继电器常开触点的另外一端，插头的零线直接连接到湿控插座的零线，土壤传感器的探头插到土壤中，利用传感器探头感受土壤湿度。土壤湿度传感器利用时域反射法测量含水量，该方法测量土壤含水量具有很高的精确度[2]。当含水量不足时，单片机引脚1 输出高电平控制继电器常开触点闭合，从而湿控插座通电，滴灌设备直接连接到湿控插座，实现自动浇水。采用滴灌取代传统的沟灌和漫灌，减少了作物蒸腾[3]。

2.2 空气温湿度监测

以辣椒为例，辣椒苗期要求较高的温度，白天25～30 ℃、夜晚15～18 ℃最为有利，适宜的昼夜温差是6～10 ℃[4]。辣椒对水分要求严格，辣椒喜土壤适度湿润而空气较干燥的环境，土壤相对含水量80%左右，空气相对湿度60%～80%时，对辣椒的生长有利[4]。利用温湿度传感器检测温室内空气的温度和湿度，温湿度传感器选用的是SHT11，把检测到的信号传输到单片机芯片，温度过低或者过高时蜂鸣器发出响声，提醒管理人员进行加热或者降温，同时把温湿度显示在液晶屏上。SHT11 是一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器，SHT11 湿度的分辨率可以达到1%RH；温度测量的分辨率可达到1 ℃，传输距离可达到20 m[5]。

2.3 光照强度检测控制

茄果类幼苗光照强度适合在4 000～25 000 lx[6]，辣椒属于茄果类，在设定的时间，光照强度低于植物补偿点4 000 lx 时，插座通电；光照强度达到饱和点时，插座断电；用户根据需求，可以将插座连接不同的补光灯，操作方便，通用性强，光照传感器连接到单片机引脚A2。当光照传感器检测到的光照强度小于4 000 lx 时，单片机引脚输出高电平，继电器线圈得电，常开触点闭合，插座通电，温室已有的补光设备可以直接连接插座，补光灯亮，对植物进行补光，为了节省电能，通过程序设定，当光照达到6 000 lx时，单片机引脚输出为低电平，线圈断电，常开触点断开，停止补光；传感器检测光照强度大于4 000 lx时，单片机引脚输出低电平，继电器线圈无电，常开触点保持断开，插座不通电，不进行补光，实现定时与光控补光相结合，既达到增产增收的目的，又节约了电能，节省了成本。

2.4 超声波检测控制电机

补光灯到植物的距离对光照强度影响很大，补光灯离植物较远时，光照效果不好，补光时需要保持合适的距离，超声波传感器检测补光灯与植物的距离，通过电机带动补光灯，使得补光灯的高度随着植物的高度而变化。

如图2 所示，超声波传感器引脚连接到单片机引脚A4、A5，步进电机的驱动芯片连接到单片机5、6、7、8 引脚。利用超声波检测植物距离补光灯距离，并根据实际进行自动调节，当超声波传感器检测到植物长高时，信号传到单片机，单片机控制绿LED亮，电机正转，补光灯上升；当达到设定距离时，电机停止转动，保证辣椒幼苗期生长所需要的光照强度。选用的超声波传感器为HC-SR04，该传感器可以检测2～400 cm，测量角度小于15°，通过编程，先给单片机一个10 μs 的低电平，再给一个10 μs 的高电平，然后再给低电平，这时超声波启用测距功能，回声端变为高电平，等接收到返回的信号，变为低电平，回声端高电平的时间就是声音来回的时间，根据s=t/59，可以计算出植物和补光灯的距离。当距离超过设定距离时，单片机控制步进电机工作。通过Serial.begin(9600)进行电脑界面设置，把测量距离显示在电脑界面。

2023 年5 月26 日，利用不同补光灯补光，根据监测数值，手机贴近光照传感器照射光照强度不足2 000 lx；利用补光灯照射，很近距离光照强度达到50 000 lx，较近距离达到17 000 lx，稍远远距离只有4 000 lx 左右，再远点只有1 000 lx 左右，距离太近，温度也会升高，所以要综合考虑温度和光照还要考虑补光灯辐射的范围，满足光照需求又达到节能目的。

2023 年5 月27 日，补光灯距离固定监测光照强度，距离固定后，光照强度趋于稳定。2023 年5 月29 日是阴雨天气，没有开启补光灯时的光照强度与开启补光灯但距离不同时光照强度对比，可以看出，没有启用补光灯时，光照强度太低；启用补光灯后，补光灯距离植物的距离不同则光照强度不同，甚至相差很大。

所以用超声波传感器检测补光灯与植物的距离，并用电机转动控制两者之间的距离，电机选用的是步进电机，当植物长高时，单片机控制电动机转动，从而带动补光灯位置相应增高，使得补光灯和植物保持合适的距离。

3 结 语

该产品可以用于辣椒育苗、种植，草莓、火龙果、番茄的种植等，设备生产成本较低，易于安装，操作方便、实用性强；无需担心植物缺水枯萎或光照不足引起植物生长不良和减产；提高蔬菜产量和品质，提高经济效益，节省成本，节约电能；可以用于家庭种菜也可以用于温室育苗。解决了植物补光不能实现光控和定时补光相结合，没法使补光灯和植物保持恒定距离的问题，开发的产品是直接控制插座是否通电，不需要生产补光和浇水设备，只生产控制设备的产品，用户购买后直接连接到已有的设备即可，产品生产成本大大降低，市场前景广阔。系统可以提升育苗的品质、提高成活率、降低劳动强度、提高生产效率减少植物对自然的依赖。