基于單片機控制的室內智能養殖種植共生柜控制系統設計

陳星　李微

摘 要：人們在享受城市生活的同時，還向往著農村的田園生活。為了滿足很多人的愿望，研制一種智能控制的室內種植養殖共生柜具有現實意義，它采用單片機自動控制系統，在種植養殖所需的溫濕度、光照、通風、充氧、水位控制及循環等方面具備自動控制功能，使其柜體內各個硬件設備達到降溫、噴霧、照明、通風、加熱、水循環等預設效果，特殊的結構設計滿足了柜體內種植與養殖的共同需求。

關鍵詞：智能控制；單片機；種植；養殖

中圖分類號：S-3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0019-03

The Design of Indoor Intelligent Aquaculture Growing Water Tank

Guide Students' Innovation by TRIZ Theory

CHEN Xing LI Wei

（Nanjing College of Information Technology，Nanjing Jiangsu 210036）

Abstract： People enjoy the rural life while enjoying the city life. In order to meet the desire of many people， it is practicdl significant to develop a kind of intelligent control indoor farming hydroponic box. It adopts fully automatic control system for the cultivation of plant cooling， spray， lighting， ventilation， heating， water cycle， and so on， making its action within the cabinet put oneself in another's position on temperature and humidity， illumination， air condition， water level and water filling oxygen control.

Keywords： intelligent control；single chip microcomputer；planting；breed aquatics

如今，中國城市化迅猛發展，市民數量成倍增長，廣大市民在享受城市生活的便利、清潔、高效的同時還向往著農村的田園生活，家里陽臺上的花盆、室內小小的魚缸，也正在承載著市民閑暇之余的田園夢。但有限的室內空間，緊張的城市時間，又限定了市民的田園夢想。基于這樣的需求，研制一款適應城市家庭使用的自主種植養殖一體的電器設備也變得很有現實意義。而植物的生長、水生物的養殖，都需要一定的溫濕度、光照、空氣（二氧化碳、氧氣），因此研制的室內自主設備應具有良好有效控制這些參數的功能[1]。

1 產品設計要求

本設備是集養殖與種植于一體的設備，在同一個柜體內實現水中養殖和水面種植兩種共生方式，而且對箱體內的溫度、空氣、光照自動進行實時監控和調整，使其在預設的控制范圍內運行，且對于相關參數實現面板的顯示和設定，以及本地紅外遙控和遠程網絡監控與參數設置，整體實現智能化管理。

2 產品設計組成

本設備包括支撐單元、控制單元、溫濕度單元、光照單元、水循環單元和通風單元。該共生柜可以在外圍框架支撐下實現多層自選組合搭配，利用溫度傳感器、光強傳感器、液位器、空氣傳感器檢測數據傳輸至控制單元，由控制單元按照預定算法給出相應指令，并傳遞給對應的降溫風扇、噴霧系統、照明系統、通風系統、加熱裝置及水循環系統，使其動作實現對柜體內的溫濕度、光照、空氣狀況、水位及水中充氧的控制，合理滿足柜體內種植與養殖共同生長的需要[2]。

該設計產品由柜體結構、智能控制兩部分組成，如圖1所示。

2.1 柜體部分

柜體部分采用標準角鋼型材，由螺紋連接形式搭建支撐框架。柜體可以靈活分成多層（可以根據需求調整層數、層高），并使用粘扣將軟材料（塑料膜、布料等）粘在支撐框架上，與頂底兩面板共同組建封閉柜體；在頂部面板靠側邊位置安裝通風扇，在底部兩個側面留通風口，與柜體內自下而上的風道結構（煙囪效應）構成通風系統，形成自然通風和強迫通風兩種模式；柜體底部裝有4個萬向輪以供移動；柜頂靠前后邊分別安裝控制盒和電源盒。

2.2 智能控制

智能控制由單片機控制系統控制下各種傳感器與相關設備的協同實現。

2.2.1 控制系統硬件組成。①溫度控制部分，由空溫傳感器、水溫傳感器、調溫風扇、噴霧系統、加熱棒、靜音水泵和電磁水閥構成。②光照控制部分，由光敏傳感器、定時器、LED光源構成。③通風控制部分，由定時器、通風扇構成。④水循環部分，由液位傳感器、靜音水泵構成。⑤控制部分，由單片機、液晶顯示模塊、8路5V繼電器、實時時鐘模塊及大功率MOS觸發開關模塊構成。

2.2.2 控制系統軟件部分

2.2.2.1 控制原理。該控制系統將實現對溫度、光照、通風的控制，其過程為：通過各種對應傳感器采集相關信號參數傳遞至單片機，由單片機依據控制算法與鍵盤輸入的設定參數進行對比和邏輯運算，并給出準確指令，讓繼電器進行相應開關，從而控制各個硬件設備進行精準動作，控制原理如圖2所示。

2.2.2.2 控制系統流程。影響種植和養殖的因素主要是溫度、濕度、光照、通風（CO2濃度）等，該控制系統將有效對這些參數進行預定控制，具體要求如下。①溫度。需要在柜體內外，水溫、空溫多變的狀態下，對通風裝置、加熱棒、循環水泵進行相應控制，從而將溫度控制在15～35 ℃。②濕度。要根據種植的需要對循環水泵、通風裝置進行定時，合理控制，以將柜體內濕度保持在一定數值范圍內（30%～80%）。由于該設計為近封閉水箱，循環供給模式濕度基本在30%～80%，而且濕度的多少直接影響溫度的變化，因此該系統中并沒有特定設置對濕度進行控制。③光照。根據養植對光照強度和時間的需要，依據光照傳感器參數對植物生長燈進行控制。④通風（CO2濃度）。定時對通風裝置進行控制，從而保持柜體內空氣更新。具體工作流程如圖3所示。

3 產品設計實現驗證

3.1 通風功能驗證

基于設計要求，通風模式分為自然通風和強迫通風兩種：自然通風由柜體結構自下而上的通風管道構成，其煙囪效應使得通風效果良好；強迫通風由頂端面板上的4個直流風扇完成。驗證方式為計時煙霧流動觀察，即在柜體底部施放顏色煙霧，觀察煙霧走向和到達頂部時間。實驗數據，見表1。

通過實驗得出結論，兩種通風模式均按照風道順序自下而上運行。從時間看，強迫通風明顯比自然通風效果好，滿足設計要求。

3.2 溫度功能驗證

基于設計要求，溫度保障由加熱棒、風扇、水循環裝置來實現。在不同的溫度狀態下，這些設備均體現各自應用功能。驗證方式有兩種。一是改變測溫傳感器溫度，觀察各個執行單元的執行情況。經驗證，執行單元均按照設計要求準確執行。二是在設備內安放智能溫濕度檢測儀，在一段時間內記錄其溫度變化情況，從而判斷設備的運行狀況，具體情況見表2。

由表2可知，設備運行良好穩定，達到設計要求。

3.3 光照功能驗證

基于設計要求，光照由自然光照和增補光源（LED燈）來實現，當自然光強小于參數值時，增補光源開始工作。驗證方式為：對測光傳感器進行光照干涉。實驗使用手電光照和密封暗盒來對光敏傳感器進行光強的改變，以觀察增補光源的開啟狀態。經驗證，達到設計要求，按時開關增補光源。

4 結語

本產品設計是由單片機系統依據傳感器參數與預設參數對比及邏輯運算，控制相關硬件設備來實現柜體內環境因子參數的控制，從而滿足自動控制種植養殖一體化需求的智能設備。由于各種植物和生物生長對應參數的要求不同，本產品只能將參數設置在一定范圍內。影響產品設計的因素很多，設計中還存在一些需要改進的地方，須通過后續的使用驗證優化設計，使其更加科學、合理、完美。

參考文獻：

[1]王有緒.PIC系列單片機接口技術及應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

[2]李廣弟，朱月秀，王秀山.MCS-51單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.