光伏農業環境檢測與調控關鍵技術

徐少明+吳大軍+邱成軍

摘要：光伏農業就是將太陽能發電廣泛應用到現代農業種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力提供等領域的一種新型農業。本研究設計了光伏農業環境檢測與調控方案，將CAN總線技術、無線技術應用到系統設計中，并對太陽能電池匹配、光電池選型、環境溫濕度等環境因子的采集等關鍵技術進行了研究。結果表明，該光伏農業環境檢測與調控系統能夠及時調控溫室的環境因子，提高農作物的產量和質量。

關鍵詞：光伏農業；環境檢測；溫度；設施農業

中圖分類號：X382 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0316-03

光伏農業就是將太陽能發電廣泛應用到現代農業種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力等領域的一種新型農業^[1-3]。包括光伏農業并網發電、太陽能殺蟲燈、光伏大棚、光伏養豬等應用，它是太陽能光伏發電與設施農業的有效結合，一方面太陽能光伏電站可運用低成本的農地直接發電；另一方面將太陽能光伏發電系統、光熱系統及新型納米仿生態轉光膜技術綜合嫁接到傳統溫室大棚，根據不同植物生長對不同波長光的需求，進行波長轉換以便作物吸收，增強光合作用；另外白天存貯的太陽能晚間用于給LED補光燈供電，提高作物的品質^[4]。但是，相關光伏農業環境檢測與調控關鍵技術研究報道較少，黑龍江大學邱成軍教授帶領的團隊多年來一直從事智能控制技術、設施農業自動裝置的研制，團隊中擁有懂得薄膜太陽能、系統集成、智能控制技術、設施農業、農業種植等領域的最先進的技術人才。本研究設計了光伏農業環境檢測與調控方案，將CAN總線技術、無線技術應用到系統設計中，并對太陽能電池匹配、光電池選型、環境溫濕度等環境因子采集等關鍵技術進行了研究。結果表明，這種光伏農業環境檢測與調控系統完全實現能源自給，既節能環保，又極易維護，相比于傳統大棚，提高了農產品產量和品質。有助于推動農業生產信息化、自動化。

1 硬件設計

光伏農業環境檢測與調控裝置包括太陽能供電單元、數據采集單元、數據接收單元和執行單元^[5-6]（圖1、圖2）。太陽能供電單元由薄膜太陽能電池板連接太陽能控制器和蓄電池組成，太陽能控制器控制蓄電池的充放電，蓄電池為數據接收單元和執行單元供電，太陽能電池板的選擇可以根據電池板放置的地點不同而選擇晶體硅和薄膜電池，如果電池板固定在大棚的頂端，最好選擇透光性好的薄膜太陽能電池板或選擇性透光電池板，否則選擇價格低廉的晶體硅太陽能電池板進行供電；數據采集單元由土壤溫度傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器、大氣壓力傳感器、濕度傳感器、單片機、無線發射模塊組成，在PCB板上順序電連接各傳感器、單片機、無線發射模塊構成數據采集單元，每個數據采集單元的電力均由無污染蓄電池提供，定期用太陽能電池板給蓄電池充電；數據接收單元由無線接收模塊、單片機、顯示屏、按鍵、CAN總線、計算機接口組成，在PCB板上順序電連接無線接收模塊、單片機、顯示屏、按鍵、CAN總線、計算機接口構成數據接收單元。數據接收單元通過串口將數據傳輸到計算機進行分析，同時也能接收計算機發來的數據，并執行相應的動作。執行單元由驅動電路連接電機、LED補光燈組成，電機驅動風扇、卷簾、滴灌設備。其中，LED補光燈由紅色LED、藍色LED先串后并組成。

選擇高標準、無污染蓄電池，通過太陽能控制器為裝置供電，數據采集單元的n個經過編號的數據采集節點將采集到的溫濕度等環境參數通過無線發送，數據接收單元中單片機依次接收采集節點的數據，通過CAN總線將簡單處理后的數據送入計算機，上位機軟件對數據進行處理和分析，通過執行單元驅動相應設備執行相應的動作，達到閉環控制；用戶根據植物品種不同，設置相應的上限參數^[7-8]。

2 軟件設計

本光伏農業環境檢測與調控裝置下位機（數據采集模塊）軟件由KEIL C按模塊化設計方式進行設計，功能包括無線初始化、數據采集和發送等。考慮到光伏農業工程較大，大面積、長距離的無線數據傳輸無法實現，故數據采集采用無線技術和CAN總線技術互補形式，在最低級節點采取無線采集和發送，高端級別的節點采用CAN總線采集和發送數據，同時高端級別的節點能接受上位機發送的命令，并能執行。

上位機系統由2部構成，控制監控系統和互聯網信息遠程監控系統，上位機系統功能框見圖3。上位機的數據采集座100 m2的大棚數據采集、補光、照明用等用途。多余電量也可以并網賣給國家。

5 結論

設計并實現了光伏農業環境檢測與調控裝置，開發了上位機軟件，并對光伏與LED等的匹配進行評估，記錄了影響環境因素的各個參數并作了分析。

本裝置適合在偏遠地區，特別是無市電的大棚和溫室，無法進行環境參數測量和控制的地方使用。

根據該裝置測得的數據，合理調控環境的各個參數，充分利用太陽能光伏優勢，能夠提高農作物產量和品質。

參考文獻：

[1]盛 絳，滕國榮，嚴建華，等. 太陽能光伏水泵在農業方面的應用[J]. 農機化研究，2008（12）：198-200.

[2]彭梅牙. 新余市大力發展光伏農業[J]. 南方農機，2012（2）：4-6.

[3]魏海峰，李萍萍，包曉明. 基于同步整流的光伏水泵數字控制器[J]. 農業機械學報，2009，40（11）：94-98.

[4]趙春江，楊金煥，陳中華，等. 太陽能光伏發電應用的現狀及發展[J]. 節能技術，2007，25（5）：461-465.

[5]張仁貢. 農村水能與太陽能混合發電系統的設計與應用[J]. 農業工程學報，2012，28（14）：190-195.

[6]Neelakanta，Perambur S，Harshad D. Robust factory wireless communications：A performance appraisal of the blue tooth and the ZigBee collocated on an industrial floor[J]. IEEE Computer Society，2003（3）：2381-2386.

[7]杜尚豐，李迎霞，馬承偉，等. 中國溫室環境控制硬件系統研究進展[J]. 農業工程學報，2004，20（1）：7-12.

[8]王忠義，陳端生，黃 嵐. 溫室植物生理指標監測及應用研究[J]. 農業工程學報，2000，16（2）：101-104.

[9]陳端生. 中國節能型日光溫室建筑與環境研究進展[J]. 農業工程學報，1994，9（1）：123-129.

[10]王松濤，馮廣和，陳端生，等. 論我國設施園藝建設的宏觀管理[J]. 農業工程學報，1999，15（1）：159-164.endprint

摘要：光伏農業就是將太陽能發電廣泛應用到現代農業種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力提供等領域的一種新型農業。本研究設計了光伏農業環境檢測與調控方案，將CAN總線技術、無線技術應用到系統設計中，并對太陽能電池匹配、光電池選型、環境溫濕度等環境因子的采集等關鍵技術進行了研究。結果表明，該光伏農業環境檢測與調控系統能夠及時調控溫室的環境因子，提高農作物的產量和質量。

關鍵詞：光伏農業；環境檢測；溫度；設施農業

中圖分類號：X382 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0316-03

光伏農業就是將太陽能發電廣泛應用到現代農業種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力等領域的一種新型農業^[1-3]。包括光伏農業并網發電、太陽能殺蟲燈、光伏大棚、光伏養豬等應用，它是太陽能光伏發電與設施農業的有效結合，一方面太陽能光伏電站可運用低成本的農地直接發電；另一方面將太陽能光伏發電系統、光熱系統及新型納米仿生態轉光膜技術綜合嫁接到傳統溫室大棚，根據不同植物生長對不同波長光的需求，進行波長轉換以便作物吸收，增強光合作用；另外白天存貯的太陽能晚間用于給LED補光燈供電，提高作物的品質^[4]。但是，相關光伏農業環境檢測與調控關鍵技術研究報道較少，黑龍江大學邱成軍教授帶領的團隊多年來一直從事智能控制技術、設施農業自動裝置的研制，團隊中擁有懂得薄膜太陽能、系統集成、智能控制技術、設施農業、農業種植等領域的最先進的技術人才。本研究設計了光伏農業環境檢測與調控方案，將CAN總線技術、無線技術應用到系統設計中，并對太陽能電池匹配、光電池選型、環境溫濕度等環境因子采集等關鍵技術進行了研究。結果表明，這種光伏農業環境檢測與調控系統完全實現能源自給，既節能環保，又極易維護，相比于傳統大棚，提高了農產品產量和品質。有助于推動農業生產信息化、自動化。

1 硬件設計

光伏農業環境檢測與調控裝置包括太陽能供電單元、數據采集單元、數據接收單元和執行單元^[5-6]（圖1、圖2）。太陽能供電單元由薄膜太陽能電池板連接太陽能控制器和蓄電池組成，太陽能控制器控制蓄電池的充放電，蓄電池為數據接收單元和執行單元供電，太陽能電池板的選擇可以根據電池板放置的地點不同而選擇晶體硅和薄膜電池，如果電池板固定在大棚的頂端，最好選擇透光性好的薄膜太陽能電池板或選擇性透光電池板，否則選擇價格低廉的晶體硅太陽能電池板進行供電；數據采集單元由土壤溫度傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器、大氣壓力傳感器、濕度傳感器、單片機、無線發射模塊組成，在PCB板上順序電連接各傳感器、單片機、無線發射模塊構成數據采集單元，每個數據采集單元的電力均由無污染蓄電池提供，定期用太陽能電池板給蓄電池充電；數據接收單元由無線接收模塊、單片機、顯示屏、按鍵、CAN總線、計算機接口組成，在PCB板上順序電連接無線接收模塊、單片機、顯示屏、按鍵、CAN總線、計算機接口構成數據接收單元。數據接收單元通過串口將數據傳輸到計算機進行分析，同時也能接收計算機發來的數據，并執行相應的動作。執行單元由驅動電路連接電機、LED補光燈組成，電機驅動風扇、卷簾、滴灌設備。其中，LED補光燈由紅色LED、藍色LED先串后并組成。

選擇高標準、無污染蓄電池，通過太陽能控制器為裝置供電，數據采集單元的n個經過編號的數據采集節點將采集到的溫濕度等環境參數通過無線發送，數據接收單元中單片機依次接收采集節點的數據，通過CAN總線將簡單處理后的數據送入計算機，上位機軟件對數據進行處理和分析，通過執行單元驅動相應設備執行相應的動作，達到閉環控制；用戶根據植物品種不同，設置相應的上限參數^[7-8]。

2 軟件設計

本光伏農業環境檢測與調控裝置下位機（數據采集模塊）軟件由KEIL C按模塊化設計方式進行設計，功能包括無線初始化、數據采集和發送等。考慮到光伏農業工程較大，大面積、長距離的無線數據傳輸無法實現，故數據采集采用無線技術和CAN總線技術互補形式，在最低級節點采取無線采集和發送，高端級別的節點采用CAN總線采集和發送數據，同時高端級別的節點能接受上位機發送的命令，并能執行。

上位機系統由2部構成，控制監控系統和互聯網信息遠程監控系統，上位機系統功能框見圖3。上位機的數據采集座100 m2的大棚數據采集、補光、照明用等用途。多余電量也可以并網賣給國家。

5 結論

設計并實現了光伏農業環境檢測與調控裝置，開發了上位機軟件，并對光伏與LED等的匹配進行評估，記錄了影響環境因素的各個參數并作了分析。

本裝置適合在偏遠地區，特別是無市電的大棚和溫室，無法進行環境參數測量和控制的地方使用。

根據該裝置測得的數據，合理調控環境的各個參數，充分利用太陽能光伏優勢，能夠提高農作物產量和品質。

參考文獻：

[1]盛 絳，滕國榮，嚴建華，等. 太陽能光伏水泵在農業方面的應用[J]. 農機化研究，2008（12）：198-200.

[2]彭梅牙. 新余市大力發展光伏農業[J]. 南方農機，2012（2）：4-6.

[3]魏海峰，李萍萍，包曉明. 基于同步整流的光伏水泵數字控制器[J]. 農業機械學報，2009，40（11）：94-98.

[4]趙春江，楊金煥，陳中華，等. 太陽能光伏發電應用的現狀及發展[J]. 節能技術，2007，25（5）：461-465.

[5]張仁貢. 農村水能與太陽能混合發電系統的設計與應用[J]. 農業工程學報，2012，28（14）：190-195.

[6]Neelakanta，Perambur S，Harshad D. Robust factory wireless communications：A performance appraisal of the blue tooth and the ZigBee collocated on an industrial floor[J]. IEEE Computer Society，2003（3）：2381-2386.

[7]杜尚豐，李迎霞，馬承偉，等. 中國溫室環境控制硬件系統研究進展[J]. 農業工程學報，2004，20（1）：7-12.

[8]王忠義，陳端生，黃 嵐. 溫室植物生理指標監測及應用研究[J]. 農業工程學報，2000，16（2）：101-104.

[9]陳端生. 中國節能型日光溫室建筑與環境研究進展[J]. 農業工程學報，1994，9（1）：123-129.

[10]王松濤，馮廣和，陳端生，等. 論我國設施園藝建設的宏觀管理[J]. 農業工程學報，1999，15（1）：159-164.endprint

摘要：光伏農業就是將太陽能發電廣泛應用到現代農業種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力提供等領域的一種新型農業。本研究設計了光伏農業環境檢測與調控方案，將CAN總線技術、無線技術應用到系統設計中，并對太陽能電池匹配、光電池選型、環境溫濕度等環境因子的采集等關鍵技術進行了研究。結果表明，該光伏農業環境檢測與調控系統能夠及時調控溫室的環境因子，提高農作物的產量和質量。

關鍵詞：光伏農業；環境檢測；溫度；設施農業

中圖分類號：X382 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0316-03

光伏農業就是將太陽能發電廣泛應用到現代農業種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力等領域的一種新型農業^[1-3]。包括光伏農業并網發電、太陽能殺蟲燈、光伏大棚、光伏養豬等應用，它是太陽能光伏發電與設施農業的有效結合，一方面太陽能光伏電站可運用低成本的農地直接發電；另一方面將太陽能光伏發電系統、光熱系統及新型納米仿生態轉光膜技術綜合嫁接到傳統溫室大棚，根據不同植物生長對不同波長光的需求，進行波長轉換以便作物吸收，增強光合作用；另外白天存貯的太陽能晚間用于給LED補光燈供電，提高作物的品質^[4]。但是，相關光伏農業環境檢測與調控關鍵技術研究報道較少，黑龍江大學邱成軍教授帶領的團隊多年來一直從事智能控制技術、設施農業自動裝置的研制，團隊中擁有懂得薄膜太陽能、系統集成、智能控制技術、設施農業、農業種植等領域的最先進的技術人才。本研究設計了光伏農業環境檢測與調控方案，將CAN總線技術、無線技術應用到系統設計中，并對太陽能電池匹配、光電池選型、環境溫濕度等環境因子采集等關鍵技術進行了研究。結果表明，這種光伏農業環境檢測與調控系統完全實現能源自給，既節能環保，又極易維護，相比于傳統大棚，提高了農產品產量和品質。有助于推動農業生產信息化、自動化。

1 硬件設計

光伏農業環境檢測與調控裝置包括太陽能供電單元、數據采集單元、數據接收單元和執行單元^[5-6]（圖1、圖2）。太陽能供電單元由薄膜太陽能電池板連接太陽能控制器和蓄電池組成，太陽能控制器控制蓄電池的充放電，蓄電池為數據接收單元和執行單元供電，太陽能電池板的選擇可以根據電池板放置的地點不同而選擇晶體硅和薄膜電池，如果電池板固定在大棚的頂端，最好選擇透光性好的薄膜太陽能電池板或選擇性透光電池板，否則選擇價格低廉的晶體硅太陽能電池板進行供電；數據采集單元由土壤溫度傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器、大氣壓力傳感器、濕度傳感器、單片機、無線發射模塊組成，在PCB板上順序電連接各傳感器、單片機、無線發射模塊構成數據采集單元，每個數據采集單元的電力均由無污染蓄電池提供，定期用太陽能電池板給蓄電池充電；數據接收單元由無線接收模塊、單片機、顯示屏、按鍵、CAN總線、計算機接口組成，在PCB板上順序電連接無線接收模塊、單片機、顯示屏、按鍵、CAN總線、計算機接口構成數據接收單元。數據接收單元通過串口將數據傳輸到計算機進行分析，同時也能接收計算機發來的數據，并執行相應的動作。執行單元由驅動電路連接電機、LED補光燈組成，電機驅動風扇、卷簾、滴灌設備。其中，LED補光燈由紅色LED、藍色LED先串后并組成。

選擇高標準、無污染蓄電池，通過太陽能控制器為裝置供電，數據采集單元的n個經過編號的數據采集節點將采集到的溫濕度等環境參數通過無線發送，數據接收單元中單片機依次接收采集節點的數據，通過CAN總線將簡單處理后的數據送入計算機，上位機軟件對數據進行處理和分析，通過執行單元驅動相應設備執行相應的動作，達到閉環控制；用戶根據植物品種不同，設置相應的上限參數^[7-8]。

2 軟件設計

本光伏農業環境檢測與調控裝置下位機（數據采集模塊）軟件由KEIL C按模塊化設計方式進行設計，功能包括無線初始化、數據采集和發送等。考慮到光伏農業工程較大，大面積、長距離的無線數據傳輸無法實現，故數據采集采用無線技術和CAN總線技術互補形式，在最低級節點采取無線采集和發送，高端級別的節點采用CAN總線采集和發送數據，同時高端級別的節點能接受上位機發送的命令，并能執行。

上位機系統由2部構成，控制監控系統和互聯網信息遠程監控系統，上位機系統功能框見圖3。上位機的數據采集座100 m2的大棚數據采集、補光、照明用等用途。多余電量也可以并網賣給國家。

5 結論

設計并實現了光伏農業環境檢測與調控裝置，開發了上位機軟件，并對光伏與LED等的匹配進行評估，記錄了影響環境因素的各個參數并作了分析。

本裝置適合在偏遠地區，特別是無市電的大棚和溫室，無法進行環境參數測量和控制的地方使用。

根據該裝置測得的數據，合理調控環境的各個參數，充分利用太陽能光伏優勢，能夠提高農作物產量和品質。

參考文獻：

[1]盛 絳，滕國榮，嚴建華，等. 太陽能光伏水泵在農業方面的應用[J]. 農機化研究，2008（12）：198-200.

[2]彭梅牙. 新余市大力發展光伏農業[J]. 南方農機，2012（2）：4-6.

[3]魏海峰，李萍萍，包曉明. 基于同步整流的光伏水泵數字控制器[J]. 農業機械學報，2009，40（11）：94-98.

[4]趙春江，楊金煥，陳中華，等. 太陽能光伏發電應用的現狀及發展[J]. 節能技術，2007，25（5）：461-465.

[5]張仁貢. 農村水能與太陽能混合發電系統的設計與應用[J]. 農業工程學報，2012，28（14）：190-195.

[6]Neelakanta，Perambur S，Harshad D. Robust factory wireless communications：A performance appraisal of the blue tooth and the ZigBee collocated on an industrial floor[J]. IEEE Computer Society，2003（3）：2381-2386.

[7]杜尚豐，李迎霞，馬承偉，等. 中國溫室環境控制硬件系統研究進展[J]. 農業工程學報，2004，20（1）：7-12.

[8]王忠義，陳端生，黃 嵐. 溫室植物生理指標監測及應用研究[J]. 農業工程學報，2000，16（2）：101-104.

[9]陳端生. 中國節能型日光溫室建筑與環境研究進展[J]. 農業工程學報，1994，9（1）：123-129.

[10]王松濤，馮廣和，陳端生，等. 論我國設施園藝建設的宏觀管理[J]. 農業工程學報，1999，15（1）：159-164.endprint