一種移動式溫室環境無線測控裝置的研究

2023-11-20 09:16:54楊光范志華李愛琴肖戟劉洋

農業與技術 2023年21期

楊光范志華李愛琴肖戟劉洋

(吉林省農業機械研究院，吉林長春 130022)

引言

我國經濟發展迅速，農業現代化進程發展迅速，農業物資齊備，各地根據自己當地特點普遍建設了溫室大棚，類型有日光溫室、塑料大棚，均可以為農作物生長提供良好的生長環境。溫室設施、工程是農業種植高效性的重要組成部分。

在農業現代化進程中，溫室大棚種類較多，按類型分為薄膜單體拱冷棚，日光溫室暖棚，雙面坡溫室大棚，連棟溫室大棚，智能溫室棚；以上溫室大棚造價從幾十元每平方米至近千元每平方米不等。價格較高的是全智能溫室，根據農戶需要建立一個適合農作物生長的環境條件，創造一個人工環境，產生適當的溫度、濕度，解除農作物生長的環境限制。使不同的農作物可以在非應季的時節生長，以此來擺脫農作物對自然條件的依賴，創造更高的價值。對于連棟大棚，這種全智能溫室一旦安裝成功，系統結構已經固定，如果再進行變動或改動將會面臨很大難度，針對這種智能棚的高造價、靈活度差的問題，本項目研發一套可移動式的測控裝置，該裝置能夠靈活移動，其測控系統中的測量和控制部分均采用無線方式通訊，測量系統采用無線數據采集，控制系統可以串聯到溫室的控制箱，而數據的采集與處理通過移動車的上位工控機實現。工控機具有穩定性強、在惡劣環境中工作，可以滿足測量和控制、數據采集與處理多種功能。在溫室環境控制方面能滿足環境要求，可以實現溫室環境的控制與設置。

為推動吉林省棚膜經濟高效發展，吉林省政府出臺了《關于加快推進全省棚膜經濟發展的實施意見》。該意見提出要實施“百萬畝棚膜建設工程”，計劃用5～10年的時間，在2030年底實現吉林省棚膜經濟總面積突破6.67萬hm2。因此，該項目的完成可加速助力吉林省棚模經濟的發展。

1 功能

1.1 空氣溫濕度、土壤溫濕度監測

空氣的溫濕度和土壤的溫濕度是農作物生長的關鍵指標，除此以外有些輔助指標也需要進行測量，只有掌握了精準的溫濕度等參數的準確數據，并能對數據進行采集、分析運算、控制、存儲、發送，才能進行科學準確的控制，需要通過傳感器測量的參數有大棚室內外空氣環境溫濕度、大棚內部土壤的溫濕度等。本項目選用的高精度土壤溫濕度傳感器，產生4～20mA模擬信號。

1.2 光照度監測

溫室大棚內光線的強度通過光感和光敏傳感器進行監測記錄，通過無線傳輸技術將測量的數據傳送到移動監測車的工控機，通過數據采集處理和分析可以控制補光系統、遮陽系統等設備，實現光度的控制，如果提前進行過參數設置，則可以實現自動控制功能，在無人狀態下實現控制。

1.3 二氧化碳濃度監測

在溫室大棚內部署二氧化碳濃度傳感器，實時監測溫室中二氧化碳的含量，當濃度超過系統設定闕值范圍時，通過無線傳輸技術將相關數據傳送到移動監測車，由相關工作人員做出相應調整。

1.4 風向、風速監測

可以根據需要進行室外風向、風速監測，實時測控數據傳入移動監測車。

1.5 分區域檢測

為了滿足溫室實現不同種植作物的需求，將一個棚劃分出多個區域進行控制管理，可實現測量不同區域內每個種植區域不同的環境參數，實現不同環境技術指標的控制。在采集數據后，用戶可以通過上位機來查詢、監測、分析各區域的環境數據。也可以根據不同需要對各個分區進行單獨土壤環境控制。

1.6 數據保存

測量的數據可以根據客戶需要進行保存，保存時間可以根據需要進行提前設定。

2 系統硬件設計

按照溫室大棚種植作物種類，可以將大棚地塊進行分區，本項目進行8塊區設置，由于測量距離沒有特殊要求，采用ZigBee無線傳輸技術即可實現信息傳遞的目的，由于該技術組網快捷，功率消耗小，能夠快速組建ZigBee測量控制網絡，測量的結果通過協調器與RS-485串口與上位機進行連接通訊，采用LABVIEW軟件進行采集分析數據，根據數據分析結果比對設置參數要求，通過無線技術遠程再控制大棚中執行機構的工作。由于本項目采用無線技術，需要測量4～20mA的傳感器信號，其終端傳感器和開關量采集卡需要采用蓄電池DC：12V供電。本項目需要測量參數有大氣壓力、風向、風速、土壤濕度、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、CO2、光照。

2.1 基于zigbee技術的協議

本項采用ZigBee無線通訊模式，實現采集卡通過中繼與上位機進行通訊。ZigBee技術是一種低數據傳輸速率的無線個域網，網絡的基本成員成為設備。網絡的設備按照各自作用的不同可以分為協調器節點、路由器節點和終端節點[1]。

表1 數據通信格式

圖1 集測量控制與一體的采集卡

PC發送以下數據：

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