一种基于Arduino mega的温室大棚调节系统设计

【摘 要】随着农业科技及其配套设施的发展，人们的生活水平不断提高。能够在寒冷的冬天吃上绿色可口的反季节蔬菜，温室大棚功不可没。但是，目前专业化的温室大棚种植技术的推广在我国还存在一定的局限性，劳动力文化水平提升还是一大难题，机械化水平较发达国家还有一定差距。针对这样的状况，本文提出了一种简单的集成温室大棚调节系统设计，在减轻劳动量的同时还为大棚管理提供科学经验，具有一定的应用价值。

【关键词】温室大棚;系统调节;Arduino板;传感器

1、设计背景

温室大棚作为一种现代化的农业设施，从上个世纪五十年代至今一直在不断发展，我国的温室大棚发展历史也已经有近六十年的历史。但是目前有些地区的温室大棚还存在着管理落后，劳动成本高，劳动强度大，自动化程度低等缺陷结合现代农业发展过程中的物联网技术，提出了一种基于Arduino mega2560 R3控制板的温室大棚调节系统设计。通过对大棚温度，空气湿度，土壤湿度，空气CO2，光照强度等检测，作出相应判断，继而通过控制外部设备做出响应，实现了调节系统的自动化。

2、系统设计思路

调节系统是以Arduino mega R3为主控器，以各种温室大棚的传感器为信息采集设备，以各种外接装置为调节终端所组成的闭环控制系统。其架构导图如下图一所示。

3、物理信息采集

3.1空气温湿度采集

使用NH211WS室内温湿度传感器，这是温室大棚专用温湿度传感器，具有可靠，稳定，抗干扰强，体积小，响应迅速，能耗低等一系列优点。根据大棚空间大小，在温室大棚空间内安装一定数目此传感器。用于采集空气温湿度数据，温度量程为-40℃ 60℃精确度为0.2℃，湿度量程为-50% 80%，精确度为3%。因为大棚内温湿度变化缓慢，所以间歇性向主控器发送信号通信，用于主控器判断是否改变大棚的温湿度。

3.2光照强度采集

使用NH207光照度传感器，具有进口传感核心，精确探测，且能根据光照強度不同来自动调节量程。量程有0-2klx、0-20klx、0-200klx等，精确度达到5%，分辨率为1。具有安装方便，寿命长等优点。在作物周围安装后检测作物周围光照强度，不断与主控器通信，用于主控器判断，是否调整大棚遮阳效果，来改变光照强度。

3.3空气CO2含量采集

使用NH162二氧化碳传感器来采集大棚内二氧化碳浓度信息，其原理是采用红外吸收检测，单光源，双通道核心，内置温度补偿功能，具有高灵敏度，寿命长，精度高，稳定等等优点。量程在0-2000ppm。广泛用于温室大棚二氧化碳含量的测量。在大棚内合理布置二氧化碳传感器位置及数目，实时向主控器发送信号用于主控器判断。是否需要调节二氧化碳含量。

3.4土壤湿度含量采集

使用NHSF48土壤水分传感器来采集土壤湿度，测量精度3%。采用了FDR（Frequency Domain Reflectometry） 频域反射原理，传感器发射电磁脉冲，通过电磁波在介质中的传播频率来测量土壤表观介电常数，继而得到土壤相对含水量。传感器的量程在0%-100%之间。具有简单安全，快速准确，单点连续等优点。根据作物的自然生长特性，在大棚内的土壤合适的深度内合理安装一定数目的传感器，间歇性向主控器发送信号，用于主控器判断。是否对土壤湿度进行调节（排水或浇水）。

4、数据分析与发送指令

数据分析模块是arduino mega 2560 r3作为控制模块。Mega2560 r3采用了USB接口的核心电路，搭载了ATmega16U2芯片，内置isp flash容量增加一倍，作为一种单片机MCU开发板，MAGE2560 R3能在windows系统上的专用IDE内开发，其具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计，这里使用的传感器较多，所以IO口多的mega板很合适。此外它还有4路串口通信引脚，可用于与其他控制器通信使用，4路串口信号分别是：（1）串口0（0号引脚RX，1号引脚TX）， （2）串口0（19号引脚RX，18号引脚TX），（3）串口2（17号引脚RX，16号引脚TX），（4）串口3（15号引脚RX，14号引脚TX）。串口0与内部ATmega16U2 USB-to-TTL芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。

在arduino的编译器arduinoIDE中使用C语言进行源程序编译，在控制器中将传感器传来的信息与数据库中的阈值进行对比，并由控制器做出判断，如果数据偏离设定阈值，则由控制器输出电平信号，控制相应的外部设备（二氧化碳发生装置、农业用翅片管式加热装置、温室排气通风电机、温室雾化加湿电机、滴灌电机、排水电机）进行响应。此时闭环控制系统中仍然在实时监测，做到实时控制。

5、结束语

本文介绍了一种简单实用的温室大棚调节系统设计，具有造价低、易安装、易维修、易于改变参数等优点。这种设计对于考虑到诸多因素的影响，基本能将温室大棚的环境控制在一个比较适宜的状态，对于改善我国部分地区的温室大棚管理模式具有一定帮助。

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作者简介：刘城市（1997—），男，汉族，安徽省阜阳市人，本科学历，学校：延边大学工学院。

通讯作者：朴锋爱，延边大学工学院机械工程系讲师。