农业生态智能控制系统设计研究

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摘要：根据新时代农业生产需要在有限空间内，进行多层次，多维度智能化管理需求，设计了一种基于绿色制造的多维度农业生态智能控制系统。该系统具有温度、湿度、亮度自动控制功能，同时具有CO2浓度检测、自动灌溉功能。该系统采用单片机完成信号采集，信号放大，信号处理，AD转换，并开发了数据显示，通过无线通信网络实现远程控制。并着手于开发该系统的神经网络学习功能，以加强该系统的通用性和可开发性。

关键词：绿色制造；多维度农业生态系统；光照检测

我国一直以来就是农业大国，可是跟经济发展快速的国家还是有非常明显的差距。目前人多地少，土地分散，天气、气候等多种不稳定因素影响下，导致不能完全大规模实现农业机械化。农业现代化的改革要求迫在眉睫。如何利用有限的土地资源，有效增产，种植更多经济效益更高的农作物以提高农民的收入，这些都是急需解决的问题。文中设计的基于绿色制造的农业生态环境智能控制系统，可高效利用土地资源，将温室大棚分层次，分区域，通过各种传感器与控制系统，保障各种农作物的生长环境，达到更好的种植效果。

1多维度农业生态系统的设计

根据现阶段农业生产的调研，种植的农作物种类以及各种农作物的生长习性存在多样性和各异。如生长成熟周期，喜阴还是喜阳，对灌溉、通风条件、日照时间等的需求各不相同。如图1所示设置多维度农业生态系统，可种植粮食作物、花卉、中草药等，最大程度利用大棚的土地资源与空间资源。采用薄膜型太阳能电池作为大棚的顶棚，利用光伏发电技术提供大棚所需的部分用电。在基于用户参数设定下控制系统，在大棚中集成光照度传感器、温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器等，对温度，湿度，照度生存环境因素进行检测。产生的传感信号通过单片机的控制端口输出，并对相应的设备进行控制，可实现大棚内恒温恒湿的条件，并有针对性的实施补充光照、灌溉、通风等操作，制造出适合作物生长的环境。1．1多维度农业生态系统环境因子的选取。各种作物的生长发育及最终形成，其产量与质量取决于作物本身的遗传特性以及外部生存环境条件。影响多维度农业生态系统中各种作物的生长发育的环境因素主要包括：温度、湿度、光照条件、CO2浓度等。在进行多维度农业生态系统的设计过程中必须主要考虑这些变量的相互作用，并利用自动控制系统对这些环境因子加以控制，以满足该系统的多样化需求。作物生长发育对温度最为敏感。随着一天中光照强度的变化，实行变温管理是一种很有效的管理方法。另外需根据温室中所种植的作物的种类进行适当调节，设置最适于棚内作物生长需要的温度条件。空气相对湿度的大小直接影响到作物的光合作用，合适的湿度有助于作物生长和控制病虫害影响。另外还需对土壤湿度进行管理，可以把渗灌、滴灌、微灌等灌溉技术应用到生态系统中来。对作物生产的影响的光照强度、光照时间、光质，可通过在生态系统中安装人工光源，并根据作物生长需要和外界环境检测的结果，适当补充光照条件。CO2是作物进行光合作用的主要原料，为使作物获得最大生长率的使作物获得最大生长率的CO2浓度，取决于作物的生长阶段的光照强度、温度等因素。生态系统中各环境因子之间存在着强烈的相互作用，作物是在各环境因子的综合影响下生长的，而不是单个因素作用的结果，因此在设计生态系统的控制系统过程中需要进行各方面的综合考量。1．2智能农业生态温室环境控制系统。在考虑了多维度农业生态系统的环境因子后，根据大棚中常见作物的划区分类，辅以常用控制设备，确定了温室环境调控设备：（1）光照系统。（2）通风系统。（3）温度调节系统。（4）CO2浓度控制系统。（5）灌溉系统。1．3多维度农业生态系统中使用的传感器。多维度农业生态系统系统所需要的传感器包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳（CO2）传感器、光照强度传感器。根据实际情况及成本考量，选择了较为常见的器件，具体的传感器选型见表1。

2智能农业生态系统硬件电路设计

2．1系统设计思路。本系统是以单片机为控制核心。通过湿度传感器、温度传感器、CO2传感器，光电池，完成对多维度农业生态系统内的环境因子的测量，将采集数据输入到单片机中。由单片机根据接收到的各项信号，控制继电器、电磁阀以及相应的控制电路，完成光照补充、温度控制、湿度控制、CO2浓度监测、灌溉系统控制，以达到自动调控多维度农业生态系统内环境因子参数的目的。同时系统还设计了可调按键，通过按键可人为地设定合适的参数，便于根据不同的作物的环境中调节使用。2．2系统的组成和工作原理。硬件系统主要有数据采集、数据分析、数据处理三个部分组成。（1）数据采集由湿度传感器、温度传感器、CO2传感器、光电池组成。（2）数据分析由单片机基本系统组成。（3）数据处理由显示系统以及继电器控制电路组成，系统设计框图如图2所示。2．3部分硬件功能的实现。2．3．1光照度检测系统。选用测量线性度较好的光电池作为光强探测元件，并将光电池检测到的光电流信号，使用三极管放大，并转换电压形式，可以保证信号有更好的线性关系。2．3．2AD转换部分使用8位主次逼近型AD转换器对输入的模拟信号进行转换，然后将转换的数据量输入单51单片机中进行数据处理。2．3．3显示模块设计采用LCD1602工业字符型液晶，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。采用单片机的P0端口和LCD1602的D0到D7端口相连进行数据传输，LCD1602的RS、RW、E分别连接单片机的P2．0、P2．1、P2．2端口，控制读写操作。LCD1602的VL端口与10kΩ的电阻相连然后接地，用来调整对比度。2．3．4报警电路的设计本系统采用声光报警电路。温度和湿度任何一个超过设定范围，蜂鸣器均报警。设计选用二极管的亮灭显示温度或者湿度是否过限，这样便于观察，可以更加直接的确定是要升降温还是要增减湿度，给工作人员减少了工作量。蜂鸣器报警电路是通过MCS－52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。2．3．5功能键的设计。本系统主要是对多维度农业生态系统中温湿度进行自动监测和控制，但是为了管理人员的管理，系统使用键盘来设定温湿度的上下限。本设计采用四个按键，按键的功能如下：S1：S1按键作为模式切换按键，按下S1按键可使系统在正常工作、温度上下限调整模式、湿度上下限调整模式、CO2浓度上下限调整模式、照度上下限调整模式等模式间进行切换；S2：S2按键平时作为向上翻一屏的显示调整按键；进入调整模式是作为调整模式的增加按键，按下S2按键使相应调整模式下的上、下限值增大；S3：S3按键平时作为向下翻一屏的显示调整按键；进入调整模式是作为调整模式的减少按键，按下S3按键使相应调整模式下的上、下限值减小；S4：S4按键平时作为显示模式返回按键，按下该按键可使显示界面返回主显示界面；进入调整模式作为调整模式的上、下限选择切换按键，按下S4按键选择将要对相应调整模式下的上限或者下限值进行调整。

3多维度农业生态系统软件设计流程

搭建好硬件设施后，针对选取的测试环境因子，对程序进行了初步的设计，程序设计流程如图4（a）～（e）所示。通过各种传感器输出的信号，通过单片机来控制相应的继电器、电池阀等，实现了室内照明（补光）系统、通风系统、灌溉系统的自动控制功能。

4误差分析

（1）由于ADC产生的误差，如采样误差、量化误差、增益误差、偏移误差和失调误差等。（2）由输入信号产生的误差，由于输入为模拟量，存在电源噪声、电源稳压、信号源阻抗、IO串扰、EMI噪声和温度变化的误差等。（3）由处理程序产生的误差，处理数据为区间范围，范围的大小决定处理的精度，由于程序没有对分辨率范围内所有的数字进行分别处理，显示照度与实际照度存在误差。（4）目前电路采用万用板搭建，各个元件的干扰较大，线路布局和元器件的摆放都会影响输入的模拟信号，后期需单独制版完善电路功能。（5）在校准过程中，数据是采用拟合方式处理的，拟合过程中会产生误差。

5结语

基于绿色制造的多维度农业生态智能控制系统的设计思路来源与生产实际需求，根据需要选取了合适的温室控制因子，通过传感器的实现了温度、湿度、光照、CO2浓度的探测，并完成了后续的补光、增温、灌溉等系统控制功能。现阶段正尝试通过无线传输系统实现远程操控，制作专门的APP来实现对该生态系统的操控。

参考文献

［1］兰瑞莉，刘成安．毛跟勇．无线传感网络在农业大棚监测系统中的应用［J］．电脑知识与技术，2009，（10）．

［2］王峰萍，王佳．农业大棚智能检测环境系统［J］．现代电子技术，2012，（14）．

［3］李兴泽，王福平．基于物联网的农业大棚智能管控系统［J］．江苏农业科学，2018，（01）．

［4］梁瑞华．基于物联网技术的温室大棚智能管理系统构建［J］．河南农业大学学报，2016，（3）．

作者:黄焰 祝勋 单位:武汉软件工程职业学院