一種基于Arduino mega的溫室大棚調節系統設計

【摘 要】隨著農業科技及其配套設施的發展，人們的生活水平不斷提高。能夠在寒冷的冬天吃上綠色可口的反季節蔬菜，溫室大棚功不可沒。但是，目前專業化的溫室大棚種植技術的推廣在我國還存在一定的局限性，勞動力文化水平提升還是一大難題，機械化水平較發達國家還有一定差距。針對這樣的狀況，本文提出了一種簡單的集成溫室大棚調節系統設計，在減輕勞動量的同時還為大棚管理提供科學經驗，具有一定的應用價值。

【關鍵詞】溫室大棚;系統調節;Arduino板;傳感器

1、設計背景

溫室大棚作為一種現代化的農業設施，從上個世紀五十年代至今一直在不斷發展，我國的溫室大棚發展歷史也已經有近六十年的歷史。但是目前有些地區的溫室大棚還存在著管理落后，勞動成本高，勞動強度大，自動化程度低等缺陷結合現代農業發展過程中的物聯網技術，提出了一種基于Arduino mega2560 R3控制板的溫室大棚調節系統設計。通過對大棚溫度，空氣濕度，土壤濕度，空氣CO2，光照強度等檢測，作出相應判斷，繼而通過控制外部設備做出響應，實現了調節系統的自動化。

2、系統設計思路

調節系統是以Arduino mega R3為主控器，以各種溫室大棚的傳感器為信息采集設備，以各種外接裝置為調節終端所組成的閉環控制系統。其架構導圖如下圖一所示。

3、物理信息采集

3.1空氣溫濕度采集

使用NH211WS室內溫濕度傳感器，這是溫室大棚專用溫濕度傳感器，具有可靠，穩定，抗干擾強，體積小，響應迅速，能耗低等一系列優點。根據大棚空間大小，在溫室大棚空間內安裝一定數目此傳感器。用于采集空氣溫濕度數據，溫度量程為-40℃ 60℃精確度為0.2℃，濕度量程為-50% 80%，精確度為3%。因為大棚內溫濕度變化緩慢，所以間歇性向主控器發送信號通信，用于主控器判斷是否改變大棚的溫濕度。

3.2光照強度采集

使用NH207光照度傳感器，具有進口傳感核心，精確探測，且能根據光照強度不同來自動調節量程。量程有0-2klx、0-20klx、0-200klx等，精確度達到5%，分辨率為1。具有安裝方便，壽命長等優點。在作物周圍安裝后檢測作物周圍光照強度，不斷與主控器通信，用于主控器判斷，是否調整大棚遮陽效果，來改變光照強度。

3.3空氣CO2含量采集

使用NH162二氧化碳傳感器來采集大棚內二氧化碳濃度信息，其原理是采用紅外吸收檢測，單光源，雙通道核心，內置溫度補償功能，具有高靈敏度，壽命長，精度高，穩定等等優點。量程在0-2000ppm。廣泛用于溫室大棚二氧化碳含量的測量。在大棚內合理布置二氧化碳傳感器位置及數目，實時向主控器發送信號用于主控器判斷。是否需要調節二氧化碳含量。

3.4土壤濕度含量采集

使用NHSF48土壤水分傳感器來采集土壤濕度，測量精度3%。采用了FDR（Frequency Domain Reflectometry） 頻域反射原理，傳感器發射電磁脈沖，通過電磁波在介質中的傳播頻率來測量土壤表觀介電常數，繼而得到土壤相對含水量。傳感器的量程在0%-100%之間。具有簡單安全，快速準確，單點連續等優點。根據作物的自然生長特性，在大棚內的土壤合適的深度內合理安裝一定數目的傳感器，間歇性向主控器發送信號，用于主控器判斷。是否對土壤濕度進行調節（排水或澆水）。

4、數據分析與發送指令

數據分析模塊是arduino mega 2560 r3作為控制模塊。Mega2560 r3采用了USB接口的核心電路，搭載了ATmega16U2芯片，內置isp flash容量增加一倍，作為一種單片機MCU開發板，MAGE2560 R3能在windows系統上的專用IDE內開發，其具有54路數字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設計，這里使用的傳感器較多，所以IO口多的mega板很合適。此外它還有4路串口通信引腳，可用于與其他控制器通信使用，4路串口信號分別是：（1）串口0（0號引腳RX，1號引腳TX）， （2）串口0（19號引腳RX，18號引腳TX），（3）串口2（17號引腳RX，16號引腳TX），（4）串口3（15號引腳RX，14號引腳TX）。串口0與內部ATmega16U2 USB-to-TTL芯片相連，提供TTL電壓水平的串口接收信號。

在arduino的編譯器arduinoIDE中使用C語言進行源程序編譯，在控制器中將傳感器傳來的信息與數據庫中的閾值進行對比，并由控制器做出判斷，如果數據偏離設定閾值，則由控制器輸出電平信號，控制相應的外部設備（二氧化碳發生裝置、農業用翅片管式加熱裝置、溫室排氣通風電機、溫室霧化加濕電機、滴灌電機、排水電機）進行響應。此時閉環控制系統中仍然在實時監測，做到實時控制。

5、結束語

本文介紹了一種簡單實用的溫室大棚調節系統設計，具有造價低、易安裝、易維修、易于改變參數等優點。這種設計對于考慮到諸多因素的影響，基本能將溫室大棚的環境控制在一個比較適宜的狀態，對于改善我國部分地區的溫室大棚管理模式具有一定幫助。

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作者簡介：劉城市（1997—），男，漢族，安徽省阜陽市人，本科學歷，學校：延邊大學工學院。

通訊作者：樸鋒愛，延邊大學工學院機械工程系講師。