基于光伏发电的温室滴灌系统设计

陈旭根，陈 颖，房新月，吴雯婧，孙 言

(徐州工程学院数学与物理科学学院，江苏 徐州 221018)

现代农业使用温室大棚种植特定作物，具有不受季节与地理位置限制的优点.正午光照强度剧烈，为了保证环境温湿度稳定，需要对大棚覆盖遮光物，避免强光线直接照射棚内的植物，且需要定期为植物浇水.传统操作是人工遮盖大棚和灌溉植物，这样会消耗大量的人力物力.随着光伏发电的普及，太阳能发电板引入到现代农业中.笔者拟利用单片机和温度、湿度、光强传感器等，设计一套智能光伏发电的温室大棚灌溉系统，既省钱省力，又节约能源.

1 外部结构设计

1—大棚架；2—太阳能电池板；3—连杆；4—电机；5—光强感传感器；6—处理器；7—蓄电池；8—滑轨；9—滚轮；10—支座.图1 温室系统外部结构Fig. 1 Schematic External Structure Diagram of Greenhouse System

在满足植物生长光照的条件下，为了提高光伏发电量，设计了一套温室系统，其外部结构如图1所示.

由图1可以看出：大棚架上设有滑轨，滑轨上设有滚轮，滚轮分别安装在大棚架顶面的太阳能电池板的底边；太阳能电池板通过支座与连杆的一个自由端铰接；蓄电池通过处理器与太阳能电池板连接，该处理器还与外部其他用电设备电连接；连杆的另一个自由端与固设在大棚架上电机的扭矩输出端连接，且该电机与处理器连接；大棚架上设有光强感传感器，光强感传感器与处理器连接.

在大棚架的使用中，当光照较弱时，单片机控制电机通过连杆将太阳能电池板拉起，保证植物接受充分的光照；当光照较强时，单片机控制电机调节滚轮在滑轨上滚动，太阳能电池板平铺在大棚架上方阳光直射的位置，此时的太阳能电池板兼具遮挡强光和吸收光照的功能.在实际使用中，会出现因大棚架面积较大而导致太阳能电池板在大棚架上方旋转不便的问题，这可以通过间隔安装多组太阳能电池板来解决.而多组太阳能电池板之间存在间隙，即使在平铺时仍有部分阳光照射进来，大棚内的植物依然能够获得足够的光照，不会影响植物的正常生长.

2 电路设计

温室系统控制电路主要由单片机核心电路、蓄电池充放电电路、升压电路、220 V降压稳压电路[1]和信号输入反馈电路等5个部分组成.系统框图如图2所示，系统电路如图3所示.

图2 系统框图Fig. 2 System Chart

图3 系统电路Fig. 3 System Circuit

(1)单片机核心电路.单片机控制芯片选用AT89C52单片机[2].在单片机上，拥有8位CPU和可编程FLASH存储器，单片机控制并管理着整个系统，监测环境数据，根据环境信息输出反馈信号.

(2)蓄电池充放电电路和升压电路.根据温室大棚的体积大小选用合适的光伏发电板组，经稳压芯片处理后，通过TP4056充电模块[3]限流并输入蓄电池，再经升压后输出，为设备供电.

(3)220V降压稳压电路.为了保证系统的持续正常工作，防止连续阴雨天气下断电情况的发生，同时输入220 V市电，当蓄电池电量低于20%时，采用市电输入.因市电电压为220 V，故需经降压稳压后才可以输入系统使用.降压稳压电路由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等4个部分组成.

(4)信号输入反馈电路.采集环境光强、温室大棚内的温度和土壤湿度等数据输入给单片机，并根据这些环境信息对LED灯、水泵和舵机等设备发出指令信号.针对台风、暴雪等特殊天气情况，设置“模式切换”按钮，及时调整太阳能电池板的位置结构，关闭“光感通道”，避免不必要的损失.

3 实现功能

系统通过PCF8591光照强度传感器[4]实现温室外环境的光照强度数据采集，并将采集到的数据输入单片机进行处理，再根据光照强度数据调节温室太阳能电池板的位置.光照过强时，棚内植物光合作用下降，太阳能电池板平铺为植物遮挡强光.太阳能电池板白天发电储存到蓄电池，夜间利用蓄电池储存电能对植物继续进行照明，提高植物的光合作用效率，进而提高植物生长.阴雨天气时，集水槽收集温室外雨水，将水储存在水箱中.系统通过DS18B20温度传感器和YL-69土壤湿度传感器等传感模块监测植物生长的温度、土壤湿度等数据，当土壤湿度低于设定阈值时，系统将驱动水泵从水箱中抽水，及时进行滴灌处理.温室系统实物模型如图4所示.系统设置了一个控制终端，能够在LCD屏上显示温湿度、光强等数据.当遇到台风、暴雪等特殊天气时，控制终端通过按键关闭“光感通道”，开启手动模式，控制太阳能电池板组的旋转和平铺，以及温室内的照明灯组.

图4 实物模型Fig. 4 Entity Model

为了更好地利用环境监测数据，笔者用LABVIEW[5]编写了一个上位机监测终端，用来显示温室系统的温湿度、光照强度、工作状态等信息(图5).监测终端设有紧急控制按钮，可发送停止命令给控制端，关闭整个系统，从而减少极端天气情况下的损失，更好地保护整个温室系统.

图5 监测终端窗口Fig. 5 Monitoring Terminal Window

4 结语

本设计中设置了可调节角度太阳能电池板，根据监测环境的光照强度可实时调整太阳能电池板的位置，满足植物生长的光照需求且提高太阳能电池发电的效率；通过监测终端实时监测环境的温湿度，实现自动滴灌喷洒处理，保证植物生长的水分需求且有效节约水资源.太阳能电池板的使用过程中，高效合理地利用光能来提高植物的经济效益，可以有效减少聚乙烯防晒网的使用，减少碳排放.如果想更全面地了解植物的生长状态，可改进系统监测端，如对数据进行可视化处理，以及记录与分析植物生长环境的数据.此外，如果发电量供过于求，还可将多余电量并入电网.