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摘要：经过多年的发展，较符合中国国情的节能型日光温室大棚在农业生产中应用居多，存在设施简陋、机械化程度低、作业强度大、病虫害严重、需要依靠墙体等问题，而高度自动化的现代玻璃温室大棚却因价格昂贵而发展相对滞后。因此针对以上问题，设计了一种新型农业智能大棚，根据市面现有大棚产品出发进行机械结构的改进和更加精密的控制。系统采用STM32 微处理器作为主控模块，运用传感器采集大棚内部环境数据，调节大棚的覆膜材料。根据不同的天气情况，可以在大棚顶使用多种覆膜材料进行搭配使用，提高大棚抵抗恶劣环境的能力。在遭遇不同恶劣天气或自然灾害时可以减少或免受其带来的经济损失。

关键词：智能大棚控制系统；STM32 处理器；多功能集成；智能控制；

第一作者：郑照桐（2003——），男，山西五台山人，研究方向：机械结构设计与材料研究.

中图分类号：S233.3

基金项目：项目基金：国家大学生创业训练项目一种新型农业智能大棚（编号202310595121X）

0引言：

世界气候变化愈发恶劣，面对越来越多的极端天气，温室大棚就显得尤为重要。大棚能极大的减小外部环境带来的影响，构造相对稳定适宜农作物生长的环境。同时需要对温度、光照、水分、地热、通风条件、气体浓度及病虫害等外界条件给予重视，必要时要进行恰当的人工调控。但是现在市场上的大棚产品智能化程度普遍不高，对于极端恶劣环境影响抵抗能力较差，只能满足市场一年四季对瓜果蔬菜的部分需求。小部分大棚产品智能化，性能良好，但又价格不菲，无法真正实现大范围的推广。因此我们需要一种新型农业智能大棚，使之具备良好的使用性能和更亲民的成本，来满足农户不同的使用要求。

1  系统方案与硬件选择

1.1 总体方案选择

此款智能大棚控制系统的总体设计方案如图1.1所示。首先使用 STM32 最小系统电路，其中包含微控制器芯片、电源电路、程序下载电路等。为采集大棚内环境信息，如光照强度、CO2浓度等，设计环境因子采集模块。为调节控制大棚内环境，微控制器将采集到的数据进行处理，得到控制命令并下达给覆膜模块设备。为有效控制棚内各种气体的浓度，加入报警模块。为在手机上观察到作物生长情况，加入通信模块，将传感器测量的相关数据及自动调控后的数据传输可供观测，以便进行人工干预。同时加入人工调控模块，设计独立按键控制系统。

1.2 大棚结构的选用

1.塑料大棚

目前市面常见大棚以拱形支架大棚为主，其结构单一，只能覆盖一层塑料薄膜，应对冰雹、暴雨等极端天气抵抗能力较弱，但由于这种大棚价格低廉，搭建简单，在我国境内广泛使用。

2.玻璃大棚

目前，市场上还有利用玻璃搭建整个大棚的方案，其优点是保温性能更好，但造价更高，每一平米的温室大概需要1000元的构建成本，对于美观要求更高的示范区更合适，但对于有种植需求的中小农户需求不大。

目前市面已有一定的智能化大棚产品，但是其功能较为单一，价格昂贵，需联系厂家进行定制，其控制设备较为笨重，并没有被广泛的使用。

3. 可拆卸斜体式结构

经我们实际调查，我们将产品的设计定位为服务中小农户，他们抗风险能力较低，对于生产的智能化要求更高，价格要更为低廉，便于快速回本。因此我们决定采用全新设计的可拆卸斜体式结构，其主体采用钢结构降低成本，利用更低廉的塑料卷轴及其他材料进行覆膜。采用半覆膜的方式来有效降低成本，同时对透光度进行控制，能在单位光照一定的状态下提高作物的利用率，实现降本增效的目的，更好的在市面推广。

我们所设计的大棚结构将原有的圆弧形或纹洛型改为直角梯形。结合广西梧州样机实践，我们综合当地纬度与地形的情况下，测量出能够吸收太阳辐射的最优角度，在此角度下，覆膜能减少地面辐射的散出并将其保存在大棚内，便于对棚内环境精密控制。因此，将大棚斜顶与地面水平面的顺时针角度设计呈20°。其内部每一侧斜梁均设有多个孔，对应可安装多根传动轴，可根据需求进行安装和使用。覆膜材料卷在梁上转动轴上，与滑杆相连接，通过滑杆上套有的固定夹固定。大棚梁内侧开有槽，便于传动轴取出，更换不同的覆膜材料。覆膜模块的电机转动部分采用直流电机，用电机通过齿轮传动结构使整杆正转反转，通过杆的转动，完成覆膜的拉下收起任务。同时为安全起见，滑杆后端设置卡槽，当滑杆碰撞卡槽将释放电信号，自动控制电机的停止。

该装置的结构特点：

（1）.转动轴可拆卸，根据不同的应用场景和应对的不同天气可以实时更换。

（2）.自动与人工控制的切换，增加了在复杂情况下系统的稳定性和安全性。

（3）.钢制结构，结构简单，材料易取，成本低廉。

1.3 覆膜材料的选用

大棚可选用多种覆膜材料以实现不同功能，PVC 膜保温性能优越，柔软性好，适合作为温室、大棚及中小棚的外覆盖材料。使用绿膜，绿光增加，可见光减少，因而降低了杂草的光合作用，使其生长受抑制，从而起到灭草的作用；黑色膜增温缓慢，保水性能好，在高温季节覆盖喜凉蔬菜，热量传入少，水分蒸发小，从而可以促进生长，如使用遮阳网，降温效果更明显[1]。

此处我们选用透明塑料PVC膜、黑色膜、绿膜三种膜分别作为上中下三种覆膜材料，当气温较低时，通过覆膜结构将塑料PVC膜层拉下，最大程度的进行保温；当气温较高时，黑色膜拉下进行遮盖，减少阳光直射，减小水分蒸发。杂草过多时，可以拉下绿膜抑制杂草的生长，减少除草剂等化学药品的使用，减少农药残留的同时降低生产成本。

2大棚软件设计

2.1 软件设计流程

智能大棚系统由数据采集模块、数据传输模块、数据存储模块、数据显示模块、控制模块和执行模块组成。软件总体设计流程如图2.1所示

控制模块将采集后的温湿度、光照强度等环境数据接入并处理，引进 PID 模糊控制算法进一步分析[2]，进而下达控制命令给相应的输出设备。最终可以实现温湿度、光照强度的调节等。

2.2 软件控制

以如上流程设计出的大棚控制系统分别以如下两种模式工作：

人工模式：控制主体依据个体经验或天气预报机构提前采取相应措施，如遭遇台风暴雨等自然灾害，可以提前对大棚内环境进行调控，减少作物损失。使用独立按键控制，依据优先级的高低，先后启动各采集任务。系统会检测是否有按键按下，若没有按键按下，则继续执行任务；若有键按下，则先识别按键，再执行其对应的控制任务。

智能模式：智能控制模式是将采集的空气温湿度、CO2浓度、光照度和土壤墒情等作为输入值通过模糊控制算法处理，控制覆膜模块设备的启闭，从而精准控制棚内环境指标维持在适应作物生长的范围内。

2.3 硬件模块的选用

系统选用的相关传感器包括：温湿度传感器、光照度传感器和二氧化碳传感器。以下是对传感器内容的详细介绍：温湿度传感器： 主要功能是采集温湿度，并将其转换为电信号供微处理器处理，此处选用数字温湿度传感器 AHT10，采用I2C通讯协议，在恶劣环境下性能依旧保持稳定。光照度传感器：将光照度大小转换成电信号，通过控制光照度影响作物产量。此处选用GY-302数字光强度传感器。该产品省略了复杂的计算，可直接与5V单片机io口相连。二氧化碳传感器：主要功能为监测 CO2 浓度。此处选用SC8型二氧化碳传感器。该产品设计小巧，性能卓越。通过对上述硬件传感器模块的组合使用，大棚内的环境得以更系统全面的检测，更精准的进行调控。

2.4 覆膜模块软件设计

覆膜模块采用电机正反转带动转动轴的方案拉动覆膜材料拉下与收起，电机当收到处理器发来的停止信号或人工主动发出的停止信号或滑块碰撞到卡槽时停止转动，转动停止后等待系统的下一次转动信号。具体软件控制流程如图2.4所示。

3 方案验证

3.1系统硬件仿真测试

采用 Proteus 软件进行仿真测试，基本工作流程是在 Proteus 软件中利用仿真功能模块绘制出32单片机电路、AHT10数字温湿度传感器电路、GY-302数字光强度传感器、SC8二氧化碳传感器及控制电路等[3]，并进行编程，此时运行仿真电路图，可从显示屏上显示大棚内的温湿度值与二氧化碳浓度。

3.2覆膜模块可靠性验证

测试中，通过开关进行控制电机的转动，当开关接通时，滑杆自动转动到一定位置停止，在转动轴转动过程中接通反转或停止开关，电机会立即停止，再次按下正传开关时，会继续控制转动轴保持原有状态转动，若按下反转开关，转动轴将会以反方向进行旋转，带动滑杆往反方向移动。当滑杆触碰到大棚滑轨顶端与底端的卡槽时，强制控制电机停止。以上控制均可以通过系统的自动控制算法完成或通过人工介入的方式完成。

对覆膜模块进行正反转各十次的停止，分别以智能控制停止，人工介入急停，滑块碰撞停止三种不同停止模式进行测试，将成功次数进行记录。测试结果如表1。根据表1所得数据可以得出覆膜模块有较高的可靠性，能很好的实现覆膜拉下收起的任务。

3.3实地测量验证

将相关测量温湿度、光照强度、土壤含水量等作为设置值输入，调试程序并下载，上电后选择模式。当模式选为人工模式时，通过按键手动控制硬件输出设备的启闭，以此调节到大棚的最适环境条件；当模式选为智能模式时，各传感器监测到的数值与设置值不同时，自发地调节各输出设备，调节大棚内环境至测量温湿度等。

在广西梧州某日进行实机测试，特别对温度数据进行测试。观测大棚在智能调控模式下的温度数据，将棚内外气温进行对比。具体测试数据如表2所示。根据表1的数据进行分析，白天棚内气温较外界环境高，遮阳膜的使用能避免太阳光的过度照射造成作物损伤，防止棚内温度过高影响作物生长；夜间温度下降，但棚内气温依旧略微高于外界，起到保温作用，符合作物的生长实际。

4 结束语

随着经济进一步的发展，人民有日益增长的美好生活需要，一年四季都希望能有新鲜的瓜果蔬菜上餐桌，大棚便是其重要的实现途径之一。国内现有的应用产品较单一，使用时间短，抗风、承重力差，抵抗恶劣极端环境的能力差，一旦遭受冰雹等自然灾害往往损失惨重。且对夏天强烈的紫外线和冬季冰冷的风寒也缺乏有效的抵御能力。我们设计的这种新型智能农业大棚，可以带来更强的调节能力和抵抗自然灾害的能力，不仅可以使农业增效和农民增收，也可以加速推动我国农业现代化的进程。提高了农业的生产效率，降低了农业生产成本，促进了农产品的稳定供应，更好的拎稳广大人民群众的“菜篮子”

参考文献：

[1]大棚覆膜套路多，手把手教你怎样选[J].农家之友，2017，（12）：26-27.

[2]管庆朋，李啟玉.基于多传感器融合的智能巡检机器人避障控制方法[J].装备制造技术，2024，（07）：5-7.

[3]魏晓艳.基于单片机的大棚温室温度测控系统设计[J].农业工程，2021，11（09）：30-33.