張兆朋

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院淮安生物工程分院，江蘇 淮安 223200）

1 溫室監(jiān)測控制系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計

目前有些補光燈是定時補，有些可以實現(xiàn)在光照不足時進行補光，但不能實現(xiàn)在規(guī)定的時間內(nèi)補光，更不方便和溫室已有設(shè)施直接連接。開發(fā)溫室環(huán)境監(jiān)測控制產(chǎn)品，如圖1 所示，在設(shè)定的時間光照強度低于植物補償點時，插座通電，光照強度達到飽和點時，插座斷電，用戶根據(jù)需求，可以將插座連接不同的補光燈，通過光控插座控制補光燈的亮滅，操作方便，通用性強。土壤濕度控制可以手動也可以自動澆水，當土壤干燥時，紅LED 發(fā)光，提醒澆水，濕度適宜時，綠LED 發(fā)光，可以澆水也可以不澆水，含水量達到上限時，藍LED 亮，提醒停止?jié)菜敎厥覠o人時，提前把電磁閥插頭連接到濕控插座，實現(xiàn)自動澆水；同時利用溫濕度傳感器監(jiān)測溫室內(nèi)的空氣溫度和濕度，并顯示在液晶屏上，溫度過低或過高，啟動蜂鳴器發(fā)出響聲，方便管理人員采取措施。

圖1 溫室環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)

2 溫室監(jiān)測控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

如圖2 所示，溫室監(jiān)測控制系統(tǒng)包括單片機、濕控插座、光控定時插座、繼電器、LED 顯示、液晶屏顯示、執(zhí)行器和各種傳感器，傳感器包括土壤濕度傳感器、光照傳感器、空氣溫濕度和超聲波傳感器，傳感器檢測到的信號傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機根據(jù)檢測到的信息，控制不同顏色LED 發(fā)光、繼電器觸點通斷、液晶屏顯示，并通過繼電器控制光控插座和濕控插座的通電與斷電，通過電腦可以實時查看溫室的環(huán)境。

圖2 溫室環(huán)境監(jiān)測控制電路圖

2.1 土壤濕度檢測控制

植物育苗期是植物比較脆弱的一個階段，若依靠人工經(jīng)驗進行噴灌，易造成育苗失敗[1]。如圖2 所示，土壤濕度傳感器引腳AO 連接到單片機引腳A0，紅LED、綠LED、藍LED 的陽極分別連接單片機的11、10、9 三個引腳，三個LED 的陰極接地，單片機引腳1 連接繼電器，電源插頭火線連接到繼電器常開觸點的一端，濕控插座的火線連接到繼電器常開觸點的另外一端，插頭的零線直接連接到濕控插座的零線，土壤傳感器的探頭插到土壤中，利用傳感器探頭感受土壤濕度。土壤濕度傳感器利用時域反射法測量含水量，該方法測量土壤含水量具有很高的精確度[2]。當含水量不足時，單片機引腳1 輸出高電平控制繼電器常開觸點閉合，從而濕控插座通電，滴灌設(shè)備直接連接到濕控插座，實現(xiàn)自動澆水。采用滴灌取代傳統(tǒng)的溝灌和漫灌，減少了作物蒸騰[3]。

2.2 空氣溫濕度監(jiān)測

以辣椒為例，辣椒苗期要求較高的溫度，白天25～30 ℃、夜晚15～18 ℃最為有利，適宜的晝夜溫差是6～10 ℃[4]。辣椒對水分要求嚴格，辣椒喜土壤適度濕潤而空氣較干燥的環(huán)境，土壤相對含水量80%左右，空氣相對濕度60%～80%時，對辣椒的生長有利[4]。利用溫濕度傳感器檢測溫室內(nèi)空氣的溫度和濕度，溫濕度傳感器選用的是SHT11，把檢測到的信號傳輸?shù)絾纹瑱C芯片，溫度過低或者過高時蜂鳴器發(fā)出響聲，提醒管理人員進行加熱或者降溫，同時把溫濕度顯示在液晶屏上。SHT11 是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，SHT11 濕度的分辨率可以達到1%RH；溫度測量的分辨率可達到1 ℃，傳輸距離可達到20 m[5]。

2.3 光照強度檢測控制

茄果類幼苗光照強度適合在4 000～25 000 lx[6]，辣椒屬于茄果類，在設(shè)定的時間，光照強度低于植物補償點4 000 lx 時，插座通電；光照強度達到飽和點時，插座斷電；用戶根據(jù)需求，可以將插座連接不同的補光燈，操作方便，通用性強，光照傳感器連接到單片機引腳A2。當光照傳感器檢測到的光照強度小于4 000 lx 時，單片機引腳輸出高電平，繼電器線圈得電，常開觸點閉合，插座通電，溫室已有的補光設(shè)備可以直接連接插座，補光燈亮，對植物進行補光，為了節(jié)省電能，通過程序設(shè)定，當光照達到6 000 lx時，單片機引腳輸出為低電平，線圈斷電，常開觸點斷開，停止補光；傳感器檢測光照強度大于4 000 lx時，單片機引腳輸出低電平，繼電器線圈無電，常開觸點保持斷開，插座不通電，不進行補光，實現(xiàn)定時與光控補光相結(jié)合，既達到增產(chǎn)增收的目的，又節(jié)約了電能，節(jié)省了成本。

2.4 超聲波檢測控制電機

補光燈到植物的距離對光照強度影響很大，補光燈離植物較遠時，光照效果不好，補光時需要保持合適的距離，超聲波傳感器檢測補光燈與植物的距離，通過電機帶動補光燈，使得補光燈的高度隨著植物的高度而變化。

如圖2 所示，超聲波傳感器引腳連接到單片機引腳A4、A5，步進電機的驅(qū)動芯片連接到單片機5、6、7、8 引腳。利用超聲波檢測植物距離補光燈距離，并根據(jù)實際進行自動調(diào)節(jié)，當超聲波傳感器檢測到植物長高時，信號傳到單片機，單片機控制綠LED亮，電機正轉(zhuǎn)，補光燈上升；當達到設(shè)定距離時，電機停止轉(zhuǎn)動，保證辣椒幼苗期生長所需要的光照強度。選用的超聲波傳感器為HC-SR04，該傳感器可以檢測2～400 cm，測量角度小于15°，通過編程，先給單片機一個10 μs 的低電平，再給一個10 μs 的高電平，然后再給低電平，這時超聲波啟用測距功能，回聲端變?yōu)楦唠娖?，等接收到返回的信號，變?yōu)榈碗娖?，回聲端高電平的時間就是聲音來回的時間，根據(jù)s=t/59，可以計算出植物和補光燈的距離。當距離超過設(shè)定距離時，單片機控制步進電機工作。通過Serial.begin(9600)進行電腦界面設(shè)置，把測量距離顯示在電腦界面。

2023 年5 月26 日，利用不同補光燈補光，根據(jù)監(jiān)測數(shù)值，手機貼近光照傳感器照射光照強度不足2 000 lx；利用補光燈照射，很近距離光照強度達到50 000 lx，較近距離達到17 000 lx，稍遠遠距離只有4 000 lx 左右，再遠點只有1 000 lx 左右，距離太近，溫度也會升高，所以要綜合考慮溫度和光照還要考慮補光燈輻射的范圍，滿足光照需求又達到節(jié)能目的。

2023 年5 月27 日，補光燈距離固定監(jiān)測光照強度，距離固定后，光照強度趨于穩(wěn)定。2023 年5 月29 日是陰雨天氣，沒有開啟補光燈時的光照強度與開啟補光燈但距離不同時光照強度對比，可以看出，沒有啟用補光燈時，光照強度太低；啟用補光燈后，補光燈距離植物的距離不同則光照強度不同，甚至相差很大。

所以用超聲波傳感器檢測補光燈與植物的距離，并用電機轉(zhuǎn)動控制兩者之間的距離，電機選用的是步進電機，當植物長高時，單片機控制電動機轉(zhuǎn)動，從而帶動補光燈位置相應(yīng)增高，使得補光燈和植物保持合適的距離。

3 結(jié) 語

該產(chǎn)品可以用于辣椒育苗、種植，草莓、火龍果、番茄的種植等，設(shè)備生產(chǎn)成本較低，易于安裝，操作方便、實用性強；無需擔心植物缺水枯萎或光照不足引起植物生長不良和減產(chǎn)；提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，提高經(jīng)濟效益，節(jié)省成本，節(jié)約電能；可以用于家庭種菜也可以用于溫室育苗。解決了植物補光不能實現(xiàn)光控和定時補光相結(jié)合，沒法使補光燈和植物保持恒定距離的問題，開發(fā)的產(chǎn)品是直接控制插座是否通電，不需要生產(chǎn)補光和澆水設(shè)備，只生產(chǎn)控制設(shè)備的產(chǎn)品，用戶購買后直接連接到已有的設(shè)備即可，產(chǎn)品生產(chǎn)成本大大降低，市場前景廣闊。系統(tǒng)可以提升育苗的品質(zhì)、提高成活率、降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率減少植物對自然的依賴。