基于Arduino的智慧农业大棚环境监控系统设计

江美枝

摘 要：【目的】为了提高农作物产量、生产效益及生产效率，同时实现大棚农业的自动化、智能化管理，以Arduino控制主板为核心，设计出智慧农业大棚环境监控系统。【方法】该系统通过温度传感器、光照检测传感器、土壤湿度传感器来采集大棚内的相关数据，并将采集到的数据上传到Arduino主芯片，通过对数据进行对比，实现自动化控制，调整大棚内的各项环境参数，使农作物达到生长最佳状态。【结果】当检测到温度不佳时，自动开启温度控制系统，进行散热或加热，调整大棚内温度，使大棚内的温度达到理想状态；当检测到光线不利于农作物生长时，自动开启光电控制系统来调整光照强度；当检测到土壤湿度不利于植物生长时，自动启动灌溉系统，直到土壤湿度达标才自动停止灌溉。【结论】经过试验测试，该系统对检测到的数据能快速处理，且控制模块的灵敏度高。智慧农业大棚可实现自动化、智能化管理，更符合现代农业大棚种植需求。

关键词：Arduino；传感器；自动控制

中图分类号：TP212；TP277    文献标志码：A   文章编号：1003-5168（2024）03-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.003

Design of Intelligent Agricultural Greenhouse Environment Detection System Based on Arduino

JIANG Meizhi

（Wuchang Polytechnic College， Wuhan 430200，China）

Abstract：[Purposes] In order to improve the production yield， benefit， and efficiency of crops， and to achieve automated and intelligent management of greenhouse agriculture， an intelligent agricultural greenhouse environment detection system is designed with Arduino control motherboard as the core.  [Methods] The system detects relevant data in the greenhouse environment through temperature sensors， light detection sensors， and soil humidity sensors， and sends the detected data to the Arduino main chip. By means of data comparison， automatic control is made to ensure that all environmental parameters in the greenhouse reach the optimal state of crop growth. [Findings] When poor temperature is detected， the temperature control system is automatically turned on to dissipate heat or heat， and the temperature inside the greenhouse is adjusted to reach the ideal state; when detecting that light is not conducive to crop growth， the system automatically turns on the photoelectric control system to adjust the light intensity; when it is detected that soil moisture is not conducive to plant growth， the irrigation system will automatically start until the soil moisture meets the standard， and irrigation can be automatically stopped.  [Conclusions] After experimental testing， the data detected in the system can be processed quickly， and the control module has high sensitivity. The intelligent greenhouse environment can achieve automated and intelligent management， which is more in line with the needs of modern agricultural greenhouse planting.

Keywords： Arduino; sensor; automatic control

0 引言

隨着科技进步和社会发展，我国大棚农业发展迅速。相较于传统的控制方式，智慧系统控制的最大优点为能自动检测大棚内的环境情况，当检测到环境数据不佳时，将自动启动相应的控制系统，确保大棚内的运行环境稳定，从而保证农作物适宜的生长条件，避免因人为因素造成不必要的损失，更能大大降低劳动成本。本研究设计的智慧农业大棚环境监控系统以Arduino为核心［1-2］，可对农业大棚内的温度、光照、土壤湿度等数据进行采集，并根据实际采集到的数据对相关装置进行自动化控制。

1 总体设计

本研究设计的系统以Arduino控制板为核心，结合温度传感器、光照检测传感器、土壤湿度传感器，从经济适用性、智能化、自动化等方面考量进行设计，实现了对智慧农业大棚环境的智能控制模拟。当检测到大棚内的温度过高或过低时，会自动打开或关闭通风、卷帘散热系统；当检测到光照强度不利于农作物高效生长时，会自动打开补光灯，并根据实时检测到的光照强度来智能调节补光强度；当检测到土壤湿度较低时，会自动开启灌溉系统，直至土壤湿度到达理想状态。

该系统的整体运行由Arduino控制板负责，整体框架如图1所示。当该系统开启时，温度传感器、光敏检测传感器、土壤湿度检测传感器会自动检测大棚内的环境情况，并将检测到的数据上传到Arduino主芯片，在Arduino内部对数据进行相应处理，对照设定的阈值来完成控制信号的输出，并控制对应装置的工作状态，从而调整大棚内部环境，使各项检测指标满足农作物最佳生长要求。

2 系统硬件电路设计

2.1 温度检测传感器模块

该系统采用DS18B20温度检测传感器，模块内部电路如图2所示，DS18B20是单线数字、适配微处理器的智能数字温度传感器，其封装小、抗干扰能力强，具有3个引脚，分别为数字信号端（DQ）、电源地（GND）、电源输入端（VCC）。检测温度的范围为-55～+125 °C，可进行9～12位的编程，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；工作电压3～5.5 V，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20进行通信，占用微处理器的端口较少。该温度传感器与其他加热或散热装置协同工作，可保证大棚内温度稳定在最合适农作物生长的温度范围内，其与Arduino的电路连接如图3所示。

2.2 土壤湿度检测传感器模块

该系统采用电阻式土壤湿度传感器Soil Moisture Sensor。Soil Moisture Sensor模块的工作电压为5 V，是一种简单的土壤含水量感应器，可用来测量土壤的含水量。该传感器为叉形设计，便于直接插入土壤中。该传感器表面进行了镀金处理，加强其导电性和抗腐蚀性。在将模块插入土壤后，输出电压随土壤湿度升高而增大，用户根据电压值来判断土壤的湿度情况，输出值为0～300%RH时为干土壤、300%～700%RH为湿土壤、700%～950%RH为水［3］。该检测模块传输过来的值为模拟值，所以在连接Arduino时需要连接模拟引脚。该检测模块具有结构简单、检测速度快、准确、定点连续等优点，与主板连接的电路如图4所示。

2.3 光检测传感器模块

该系统通过光敏电阻对大棚室内的光照强度进行监测，并利用测量到的光线数与预设数进行对比，调节光照系统的补光程度。光敏电阻是一类利用半导体材料所制造的、独特的电阻器，其作用机理是内光电效应［4］。内部电阻值会因检测到的光照强度不同而发生变化，暗电阻非常大，可达1.5 MΩ，亮电阻可小至1 kΩ，无光照时呈现出高阻态。

光敏电阻的结构通常为薄片结构，便于在使用过程中吸收更多的光能。同时，为了提高灵敏度，把电极做成梳状图案。当受到光线照射时，光敏电阻的内部会激发出电子—空穴对，产生的电子—空穴对参与导电，电路中电流增强。光敏电阻与Arduino主板连接电路如图5所示，光敏电阻是一个没有极性的器件，可将其当作一个电阻器来使用，其检测到的数据是模拟信号，通过串联一个分压电阻，检测光敏电阻分得的电压值，再将其送到Arduino单片机进行处理，输出控制信号控制相应设备。

2.4 大棚补光模块

在农作物生长过程中，有时因自然光线不足，会影响植物的生长，想要植物有更好的产量，并提高生产效益，就需要进行补光。该智慧农业大棚检测系统中的补光模块采用的是PWM技术进行自动调光，波形图如图6所示，通过调整占空比来控制流过电流的大小，从而调整LED灯的亮度［5］。

3 系统软件设计

在智慧农业大棚中，需要采集大棚内的温度、光照强度、土壤湿度，并将采集到的数据跟设定值进行对比，根据实际需要来控制相应设备的工作状态，从而调整大棚内的环境状态。为了使该系统能有条不紊工作，该系统的工作流程如图7所示。 系统开始运行时，先初始化整个系统，接着同时启动温度采集、光照强度采集、土壤湿度采集模块来采集大棚内的实时状态数据，将采集到的数据跟预设值进行对比，如果不在设定范围内，则根据需要自动启动对应设备，直到检测到的结果满足要求，才自动停止相应设备。如：初始化系统后，温度采集模块自动检测大棚内的温度情况，并将采集到的数据上传到Arduino主板中，判断该检测的温度是否在（20 °C<温度<30 °C）设定范围内，如果不在设定范围内，则开启散热或者加热系统，否则关闭散热或者加热系统，继续采集温度，再判断，不断地循环该过程。

4 系统测试

测试选用的模块有一个温度传感器、一个光敏传感器、一个土壤湿度传感器、一个通风散热/加热模块、一个光电控制模块、一个灌溉系统。通过硬件连接测试、程序下载完成后，该系统能正常上电、初始化，系统可同时对大棚温度、光照强度、土壤湿度进行检测，并对检测到的数据进行处理，控制相应设备启动或停止工作。

5 结语

经过测试功能调试，系统上电初始化后，能根据所处的大棚环境，实时检测大棚内的温度，若检测到的温度高于或低于设定值，自动开启散热或加热系统；若检测到的光线强度低于设定值，自动开启补光灯，并根据实际情况自动调节补灯光；若检测到的土壤湿度低于设定的400%RH，可自动开启灌溉系统，直到检测到的土壤湿度高于400% RH。同时，由于不同农作物生长需要的生长温度、光照、土壤湿度不同，可通过修改程序的设定值，将该系统应用于不同的农作物种植大棚。该系统操作简单、成本低、检测准确度高、稳定性好，可实现农业大棚种植的自动化、智能化，且其功能调试状态良好，达到预期效果。

参考文献：

［1］蒲虹桥，陈阳明，任娟慧.基于Arduino的大棚环境监控系统设计［J］.成都航空职业技术学院学报，2020（2）：54-57.

［2］陈文杰.基于Arduino的蔬菜大棚环境监控系统设计［J］.电子世界，2020（10）：169-170.

［3］赵云娥，张风彦，吴怡晖.基于Arduino的智慧农业大棚监控系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2019（4）：72-76.

［4］宫厚健，吕威，桂文宇，等.光敏电阻法测量表面活性剂在CO2中的浊点压力［J］.实验技术与管理，2021（2）：64-67，72.

［5］李祥兵，王春才，王坦，等.基于PWM調光模式的白光LED驱动设计研究［J］.汽车电器，2020（11）：17-20.