雙軸智能光電互補農業大棚控制系統的設計

吳 帆

(鹽城工學院電氣工程學院，江蘇鹽城 224051)

環境問題和能源危機引發全球性思考，在此前提下發展可再生、無污染能源已成為人類的共識。太陽能光伏發電越來越受到重視并獲得飛速發展，也給農業大棚控制的發展提供了一個新的平臺[1]。農業溫室大棚不受季節、氣候、環境等諸多因素的限制，對農業生產具有重大意義。雖然農業溫室大棚在我國得到了廣泛應用，但大多數未采用智能控制技術，自動化程度低，環境控制能力有限，在一定程度上影響了農業溫室大棚農作物的產量和質量，因此，農業溫室大棚智能控制系統的建立很有必要[2]。影響作物生長的因素主要有溫度、濕度、CO2濃度以及光照等，如果能夠實現對這些因素的智能控制，不僅可以減輕種植者的負擔，還能提高農作物的產量與質量。而整個系統的用電可以由光伏板電池提供，即使將大棚建在無法利用電網電能的偏遠地區，也不會受到限制。

本研究設計了一種雙軸智能光電互補農業大棚控制系統，結合光伏技術與溫室環境控制，根據1 d內或季節性農作物對光照的需求，光伏控制系統能實時動態監測太陽光的入射角度，通過調節光伏板的傾角，一方面達到提高屋頂光伏電池組件發電量，另一方面為溫室環境控制系統提供電能。農業大棚控制系統通過各種傳感器采集環境參數，根據環境信息自動調節，數據實時存儲、顯示，并根據環境需求提供各種方式報警及改善措施，使農作物總是在合適的環境中生長，達到農作物高質量生產的目的，增加經濟效益。實現雙軸智能光電互補農業生產的自動化，可以解決偏遠地區農業生產無電、缺電等供電問題。

1 雙軸智能光伏技術與農業溫室大棚的結合

雙軸智能光伏系統設置在溫室屋頂上方，由電池板支架、轉動軸、底座、步進電機和光伏板構成，用螺絲把一個控制方位的步進電機固定在底座上，然后在步進電機上安裝轉動軸，上面連接水平方向步進電機的支架。步進電機也被螺絲控制在垂直方向的支架上，也安裝了轉動軸，并且連接著光伏板和光敏電阻等部件。雙軸智能光伏機械裝置由步進電機驅動，可使光伏板在水平方向360°和垂直方向90°之間自由旋轉[3]。

將雙軸光伏系統輸出的穩定電壓引入溫室環境控制系統，所述溫室設在環境監測區，溫室內設有濕簾風機設備、噴霧設備、通風設備和補光設備。溫室環境控制系統包括溫室環境控制器、溫濕度檢測模塊、CO2傳感器檢測模塊、光照傳感器檢測模塊、顯示模塊、報警模塊。

1.1 光伏控制系統

光伏控制系統通過上下左右4個光敏電阻實時動態監測太陽光的入射角度，以單片機STC89C52為核心控制步進電機在水平和垂直方向上轉動，從而調整光伏板的角度或人工手動確定傾斜角度，其控制系統框圖如圖1所示。設置手工和自動2種光伏控制模式，根據當天的天氣情況，例如晴天或風級在8級以下可開啟自動模式，雨天或8級大風以上則手動固定傾斜角度。

1.2 大棚控制系統

大棚控制系統根據環境信息自動調節，實現對溫室大棚內部環境的動態控制。本系統以STC89C52為核心，實現數據的采集、實時存儲、顯示、處理和報警、繼電器工作等功能，其控制系統框圖如圖2所示。

本系統采用DHT11溫濕度傳感器、GY-30光照傳感器、MH-Z14A二氧化碳濃度傳感器將實時環境檢測到的溫濕度值、光照度值和CO2濃度值傳遞給單片機，然后通過單片機對數據進行分析。與之前設定的溫濕度值、光照度值及CO2濃度值進行比較，當檢測到的數據超出一定值時，小燈閃爍，然后對其現狀進行調節。

2 農業大棚環境控制系統

2.1 主系統電路設計

本研究設計的大棚智能系統主系統是以STC89C52單片機為控制核心，其最小系統的復位電路由電容、電阻和按鈕組成。當單片機接通電源時，會產生復位信號完成啟動，單片機進入初始狀態。當電路出現干擾時，按下復位按鈕，程序會從頭開始執行(圖3)。

2.2 溫濕度電路設計

根據棚內作物設置最佳溫度范圍，并通過溫濕度傳感器DHT11進行監控，當溫度高于設定值時，采用濕簾風機系統進行降溫，否則會對農作物生長產生不利影響，濕簾風機可有效控制溫室內高溫的產生。如同溫度調節，當室內濕度低于設定值時，系統驅動噴霧器來提高濕度；如果濕度過大，可以利用濕度差來進行室內外的空氣交換，以降低濕度[4]。

2.3 CO2傳感器電路設計

農業溫室大棚是相對封閉的環境，因此可以對CO2濃度進行控制。CO2是農作物進行光合作用的重要原料，適宜的CO2濃度可以使農作物活力增強、產量增加。CO2數值由 MH-Z14A傳感器采集，當CO2濃度較低時，則驅動繼電器開啟CO2發生器進行補充。

2.4 光照傳感器電路設計

傳統的農業大棚需要安裝遮陽裝置進行遮陽，但這種雙軸智能光伏溫室大棚的光伏板本身就具有遮陽功能，且利用分光技術將不利于農作物的光譜光照吸收，農作物所需的光照可以控制模式正常穿透，因此，可以兼作遮陽裝置使用。當溫室內部光照弱于正常值時，系統根據GY-30光照傳感器檢測到的光照度，控制開啟相應數量的LED補光燈，以滿足農作物生長的光照要求[5]。

2.5 顯示電路設計

為了實時顯示大棚的狀態，采用LCD1602液晶顯示屏，實時顯示溫濕度、光照度及CO2濃度值。在實際LCD1602顯示模塊上，用“H：××.×%”表示濕度的實時數據值，“T：××.×℃”表示溫度的實時數據值，“CO2：×××××ppm”表示CO2濃度的實時數據值，“G：×××lux”表示光照的實時數據值[6]。

2.6 報警電路設計

報警模塊主要是用于對溫濕度、光照度和CO2濃度報警值的上限和下限的設定，設有4個指示燈，分別為濕度超限報警LED指示燈(D1)、溫度超限報警LED指示燈(D2)、CO2濃度超限報警LED指示燈(D3)、溫濕度以及CO2濃度超上限報警LED指示燈(D4)。報警只是對實時環境監測出現問題時的警示，而智能系統的關鍵是當實時環境出現異常時控制解決問題的對應繼電器進行工作。模擬繼電器智能控制電路，當電路正常運作時，開關與上開關保持貼合，當電路運作不正常時，開關與下開關保持貼合，繼電器開始工作，這體現了大棚智能控制系統的智能化。

3 雙軸智能光伏系統實物平臺搭建及工作原理

3.1 光伏系統實物機械組成

光伏系統平臺主要由電池板支架、轉動軸、底座和步進電機構成(圖4)。用2個步進電機分別對高度角和方位角2個方向進行控制。跟蹤器的方位軸垂直地平面，控制水平方向；另一根軸與方位軸垂直稱為俯仰軸，控制垂直方向，最后2個步進電機分別與光伏控制系統(驅動芯片ULN2803)連接，而此芯片又與AD轉換芯片連接，從而控制步進電機。工作時，太陽跟蹤器根據太陽運動的位置，通過方位軸轉動改變方位角來改變水平方向，通過俯仰軸做俯仰運動改變接收平臺的傾斜角來改變垂直方向，從而使太陽光線與太陽板垂直，以達到跟蹤的目的。

3.2 光電互補電路工作原理

光電互補電路工作原理是由光電互補裝置接收太陽光，將光信號轉換成電信號，根據所采集到的信號，由單片機分析最終控制的步進電動旋轉與轉向來達到光伏板，使其始終是垂直于入射光線，從而達到利用光伏板的最高效率[7]。根據圖5所示，當光線遠離光伏板時，光照度檢測電路左邊光敏電阻則會給單片機信號，使其控制驅動芯片驅動水平步進電機正轉，使光伏板跟隨光線左轉。光照檢測右邊光敏電阻，當光線遠離光伏板時則實時傳輸給單片機信號，使其控制驅動芯片驅動水平步進電機反轉，使電池板跟隨光線右轉。使用上下光敏電阻光照檢測太陽光垂直角度的變化，并將檢測到的光線變化信號傳輸給單片機，單片機進行進一步處理后控制驅動芯片驅動垂直電機的正反轉，從而實現光伏板垂直角度的調整[8]。

4 雙軸智能光電互補農業大棚控制系統軟件設計

4.1 農業大棚控制系統軟件

農業大棚控制系統主程序設計流程圖如圖6所示。

4.2 雙軸智能光伏控制系統軟件設計

雙軸智能光伏控制系統主程序設計流程圖如圖7所示。

5 雙軸智能光電互補農業大棚控制系統的前景展望

雙軸智能光電互補農業大棚控制系統結合光伏技術和智能控制技術，一方面利用機械裝置不斷改變光伏陣列的角度，使不論太陽光如何變化，光伏陣列都能夠保持正向面對太陽，從而提高對太陽能的利用率，以及即便將大棚建在無法利用電網電能的偏遠地區，也不會受到限制；另一方面實現了對棚內溫度、濕度、CO2濃度以及光照度的自動控制和調節，真正實現了農業生產的自動化和智能化，有助于推動這種大棚從概念性展示向實用階段的發展，實現提高作物品質和產量又兼顧發電的雙贏效果。