南疆低成本番茄温室智能控制系统

武小卫，朱悠然

（1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

南疆低成本番茄温室智能控制系统

武小卫1，2，朱悠然1，2

（1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

南疆地区昼夜温差大，蔬果资源欠缺，急需发展温室大棚等设施农业。目前，当地农户日光温室大棚取得了一定的经济效益，但仍存在生产效率低下，温室结构简单等缺点。文章针对温室大棚的控制问题及南疆地域特色并依据智能温室内部的光照、温度、湿度、土壤湿度等环境条件，设计了一种南疆低成本温室控制系统。采用反馈调节模式，使调节反应速度快、准确度高；结合番茄生长特点采用滴灌式水肥控制方案，能精确控制水肥供给与番茄根部水肥迁移规律。相比于传统日光温室，该温室具有建造综合成本低，操作性高，便于控制，资源利用率高等优势。

南疆；温室；智能控制系统；设计

南疆以种植业为主，但冬季寒冷夏季炎热，环境恶劣，风沙大，光照、温湿度等不好调控。而目前日光温室存在采光率低，墙体的通风排气性能不足，土壤水含量不确定等问题，致使在增产效益中投资高，能源消耗大。同时日光温室可利用面积小，产品的质量、产量低，导致蔬菜成本加大，当地夏冬季蔬菜菜价高，供需矛盾增加。

为了提高当地农民经济效益和改善温室可操作性能，有必要对日光温室进行改进。本设计通过对日光温室存在的土地占有率低、产量有待提升、通风排气和可操作性及自动化性能较差等问题进行科学、客观的分析，探讨性地提出了采用针对南疆地区普通日光温室与智能控制系统相结合的方法进行设计，进而有效改善新疆南疆地区日光温室产量低、经济效益不高的问题，提高夏冬季蔬菜产量和质量，减小生产成本，从而从根本上解决新疆南疆地区夏冬季产量与市场的供需矛盾。

1 系统总体设计思路

系统主要以STC89C52RC单片机为控制核心，整个系统由空气温湿度控制模块、土壤湿度控制模块、光照补偿控制模块组成。空气温湿度模块的工作模式为：用户设定温湿度标准值，当环境温湿度偏离标准值时，控制设备自启动。土壤湿度控制模块的工作模式为：利用YL-69湿度传感器测出湿度模拟数据，与设定的标准值作比较，当测量值偏离设定值区间时，启动控制水泵。光照补偿控制模块的工作模式为：设定一个光照传感器有效动作的区间段，在此区间段内，当温室大棚内的光照不足时，光敏电阻发出动作信号，控制继电器模块，继电器模块再控制补光系统开始补光，到达设定的时间后，自动停止补光。

2 系统硬件设计

（1）控制核心模块。主CPU电路选用STC89C52RC系列单片机，如图1所示。STC89C52RC是采用经典的MCS-51内核，同时还具备传统51单片机所没有的功能。最高工作时钟频率为35MHz，片内含8K字节的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时计数器，4个外部中断，全双工串行口。工作电压：3.3-5.5V,工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级），采用PDIP封装。

图1 STC89C52RC最小系统

（2）空气温湿度控制模块。空气温湿度控制模块主要利用DHT11数字温湿度传感器作为数据采集终端，整个控制模块完全采用总线控制方式以及串行口通信协议。数据的分析与处理主要由STC89C52RC单片机来完成。模块由控制电路、显示电路以及按键电路构成，其中按键电路主要用来键入温湿度准确值，1602用于数据显示和提示用户，控制器用于调节和控制不符合要求的温、湿度。HT11数字温湿度控制电路如图2所示。

图2 DHT11温湿度控制电路

（3）自动灌溉控制电路的设计。自动灌溉系统采用STC89C52RC单片机来实现。设计电路如图3所示。当自动灌溉系统打开运行之后，首先会进行初始化状态，并获取人工设定的湿度值。主循环判断当前湿度大小，判断当前的湿度是否低于设定值，假如低了，继电器将驱动水泵进行抽水灌溉。另外由于干扰的存在及传感器输出的信号相对较弱，需要在软件设计中加入抗干扰措施。

图3 土壤湿度控制电路

（4）光照补偿控制模块的设计。光照是植物生长的必要条件之一，植物的生长与光照时间有着极为密切的关系。南疆地区的春季会持续长时间的沙尘暴天气，植物生长往往会面临光照不足的问题，因此有效地利用人工补光手段来促进植物的光合作用具有极为重要的意义。设计电路如图4所示。

图4 光照补偿控制模块电路图

3 系统测试与实验

3.1 材料与方法

（1）试验材料。设计完成的单片机控制系统如图5所示。由于只需要测试系统的性能参数并为了降低实验成本，因此选用小型温室大棚来进行测试实验。实验地点为塔里木大学现代农业工程重点试验棚。本次试验采用了16个DHT11数字温湿度传感器，分别布置在距离作物垂直高度的50cm处的位置并在空间位置上呈对称均匀分布；棚内土壤中共布置了36个YL-69湿度传感器，传感器插入土壤中约3.5cm处的位置，横向距离每隔1.5m布置一个YL-69湿度传感器，纵向距离每隔1m布置一个；光照补偿模块采用了6个光敏电阻传感器，分别布置在试验棚的四角及中心位置处；试验棚还装设了5组喷淋系统、3个风扇和8套LED补光灯，用于棚内的温湿度补偿及光照补偿。

图5 湿室控制电路实物

（2）试验方法。本实验在作物实际生长的试验环境条件下进行系统的模拟测试，整个系统测试采用非全天候分时段的测试方法。试验前先对各个子系统的初值进行设定，棚内温度范围是24.5～27.5℃ ，棚内湿度范围是45.5%～55%，土壤湿度范围是55%～65%，光照补偿有效时间大约为2h，并设定光照补偿模块的有效补光的起始时间是北京时间22点整。主要的辅助补偿设备有换气扇、加热装置、喷淋装置、滴灌装置、补光装置。由于各种补偿装置起作用需要一定的缓冲时间，因此系统采用定时条件下的自启动控制模式。每天从早上九点开始每隔一小时对系统的监测数据记录一次，到凌晨两点时记录结束，全天持续记录17个小时，共记录17组有效数据，测试结果如表1所示。

表1 南疆低成本智能温室控制系统的测试数据

3.2 结果与分析

由于环境的昼夜温差较大，测试系统得到了较为明显的试验结果。由表1可以看出系统从九点开始测定棚内环境数据指标，此时棚内的温湿度数据指标在设定的范围之外，喷淋装置和加热装置处于开启状态，而土壤湿度在设定的范围之内，水泵处于关闭状态。光照补偿模块未到启动时间，处于关闭状态。此后棚内的温湿度开始进入到上升状态，11点时温湿度模块关闭，而土壤湿度模块开启。由于系统的工作状态具有一定的延迟效果，所以伴有一定的迟缓性。系统的整体执行效果使棚内的环境值基本保持在设定范围之内。

4 结语

（1）系统设计基本达到了预期的效果，整体运行稳定，总体造价远低于全套智能一体化温室大棚控制设备。

（2）系统在大棚的环境条件下依然能够正常运行，因此该系统具有一定的推广价值。

（3）该系统还缺乏大量的试验数据来作为系统稳定性的条件支撑，还需进一步进行区域化的推广应用来不断积累数据。

［1］王浩云，刘佼佼，侯思宇，等.信息物理系统（cyber-physical system）时空建模方法及在温室控制中的应用［J］.农业工程学报，2015，（15）：183-190.

［2］方箫.基于STM32的温室环境控制系统的设计与研究［D］.武汉：武汉科技大学，2014.

［3］覃贵礼，潘泽锴.基于PLC技术的智能温室控制系统研究与开发［J］.河池学院学报，2013，（2）：108-113.

［4］覃贵礼.智能温室控制系统的研究与开发［D］.南宁：广西大学，2012.

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Low Cost Intellective Controlling System in Tomato Greenhouse for Southern Xinjiang

WU Xiao-wei1，2，ZHU You-ran1，2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300，China；2.The Key Laboratory of Colleges&Universities under the Department of Education of Xinjiang，Alar，Xinjiang 843300，China）

Southern Xinjiang,where the climate with large temperature difference day and night,lack of fruit and vegetable resources，it is urgent to develop greenhouse and other agricultural facilities.At present，the local farmers have obtained a certain economic benefits by using sunlight greenhouse，but low productivity and simplicity in greenhouse structure should also be solved. Aiming at the control problem of greenhouses，the regional principles of southern Xinjiang and the lighting,temperature，humidity，soil moisture and other environmental conditions of intelligent greenhouse，this paper designs a low-cost greenhouse control system for southern Xinjiang.Using the mode of feedback，it has advantages of faster speed and higher degree of accuracy；using the control scenario of drip fertigation with the characteristics of tomato growth，and can more accurately control the supply of water and nutrients and the transformation of water and nutrients in tomato.Compared to traditional solar greenhouse，the greenhouse is with lower cost，higher operability，easier to control and higher resource utilization.

southern Xinjiang；greenhouse；intelligent control system；design

S24；S-3

A

2095-980X（2017）06-0080-02

2017-04-17

大学生创新训练计划项目（2016033）。

武小卫（1993-），男，河北张家口人，大学本科。