物联网技术日渐成熟, 自动化、物联网、人工智能等技术正被广泛应用于现代农业, 成为提升农业生产效率和农作物产量的有效途径。我国农业正处在由传统农业向现代农业快速转变的阶段, 农业自动化刚刚起步, 基础薄弱, 发展相对滞后, 总体水平不高, 这些问题严重限制了温室大棚生产效率的提高^[1]。研究智能大棚卷帘机控制系统对于提高我国温室大棚生产力和温室大棚现代化水平具有重要意义, “智能调节实时监管”的智能大棚卷帘机控制系统成为节省人力物力、高效管理农业的产物。传统的卷帘机需要人工控制棉被的收放, 危险系数高, 易发生人员伤亡事故, 每年因传统卷帘机的操作不当, 引发的事故不计其数, 人们需要根据温室温度、湿度进行手动开关卷帘机, 消耗了不必要的人力、物力, 同时人感受的数据不够精确, 调节的量也容易出错^[2]。智能大棚卷帘机控制系统能在无人的状态下, 自动根据温湿度和光照强度进行调节的大棚保暖系统, 当室内温湿度过高或过低时, 自动升降卷帘机, 还可以人为对温室大棚卷帘机进行远程控制和干预。该系统的使用可以让人们无论何时何地都能够实时监管并控制温室, 使人们的管理模式更高效、更精准、更方便, 使温室大棚智能化, 能够给农业、企业带来便利, 从而进一步提高农业生产效率^[3]。

1 智能大棚卷帘机控制系统设计方案 1.1 智能大棚卷帘机控制系统组成结构

智能大棚卷帘机控制系统由现场控制站、移动控制站、主控制站、系统网络四部分组成。

1) 现场控制站:人们所处大棚外, 通过蓝牙或实体按键手动控制卷帘机的运行。

2) 移动控制站:人们可随时随地, 通过移动互联网终端, 对大棚进行手动控制。

3) 主控制站:可以完成系统所有的控制功能, 控制另外三部分, 也可以对系统进行编程、优化等功能。

4) 系统网络:是连接控制系统的各个站的网络。智能大棚卷帘机控制系统的各个重要部分之间需要进行数据交流, 才能完成系统的正常运行, 整个系统的正常运行建立在网络的安全性和稳定性上^[4]。

1.2 功能描述

当前传统大棚在太阳升起后, 不能自动进行升起卷帘, 当农民不能及时升起温室大棚棉被时, 就会危害作物生长, 影响农业生产的效率, 为了提高农民的工作效率和质量, 可以通过在卷帘机上及温室大棚内增加传感器、单片机、蓝牙、物联网等有线或无线连接模块, 实现对环境状况的实时监测、记录、分析, 传感电路不断循环检测大棚光亮度、温湿度等信号, 通过传感器检测到的信号给单片机命令, 然后再由单片机去执行卷帘机的开关, 从而实现对温室大棚的自动卷帘, 也可实现对大棚棉被的自动收放或人为干预的收放^[5]。

控制系统需具备功能:

1) 完成对卷帘机的开关量自动控制和人为干预控制;

2) 温室大棚各种数据的采集、记录、分析;

3) 实时显示各种数据;

4) 拥有系统自动诊断及报警功能。

1.3 智能大棚卷帘机控制系统总体设计方案

主控制室完成的工作有:自动模式下控制大棚卷帘机的运转和实时监控; 温室大棚内外各项数据的采集、分析和记录; 可以把采集的数据显示给操作员, 包括现场显示和移动终端显示, 操作员根据决策参数及时调整生产; 控制和协调各站点的运行; 状态显示和故障报警。

该智能大棚卷帘机控制系统通过传感器检测空气温湿度、光照强度, 综合手动控制和自动控制方法控制执行机构动作, 采用液晶显示屏, 实现温室大棚现场的人机交互, 并且借助蓝牙、有线平台、无线平台实现远程控制和监控^[6]。

实施方法如下:

智能大棚卷帘机控制系统通过温湿度传感器、光照传感器、定时器等传感器^[7]自动监测光照、温度、时间, 单片机通过这些信息来判断打开或者关闭棉被, 可随时启动; 通过加入蓝牙或有线连接到平台, 可以在距离卷帘机的一定范围内对其进行人为干预, 人为控制卷帘机的收放; 通过将智能大棚卷帘机控制系统接入互联网, 比如说可以通过微信小程序、APP、物联网平台等对卷帘机进行云端控制。在卷帘机上加入蓝牙, 当用户与卷帘机的距离在某个范围内时, 可以通过移动设备, 比如手机、遥控器等设备对卷帘机进行人为干预控制^[8]。

在卷帘机上加入蓝牙模块, 当人与卷帘机的距离在某个范围内时, 可以通过移动设备, 比如手机、手柄等设备对卷帘机进行人为干预控制, 这样农业工作者有更大的选择余地, 可以更加精准的对大棚棉被的收放进行控制。比如在风雪的天气下, 大棚棉被容易被淋湿, 当天气晴朗的时候, 农业人员可能会根据棉被的潮湿情况对温室棉被进行晾晒处理, 因此在某个时间段对大棚棉被的收放进行人为控制; 而在天气变化较快的情况下, 比如通过天气预报得知雷阵雨大风等恶劣天气来的迅速且猛烈时, 农业工作人员可以通过蓝牙及时对大棚棉被收放, 避免对农业造成不必要的损失。

通过接入互联网, 可以在云端进行控制, 温室远程控制系统如图 1所示, 用户通过手机发送指令, 物联网模块接收指令, 被单片机读取, 单片机根据接收内容进行一系列操作, 如:控制卷帘机升降, 查看大棚内的温度湿度值等。在恶劣天气突然出现时, 如果传感器来不及判断, 用户也不能及时赶到现场对卷帘机进行收放, 这时用户就可以通过互联网及时对卷帘机进行控制, 将损失减至最小甚至不会出现损失。

现在大多数的大棚系统都没有线上反馈调节的功能, 当有意外情况发生或设备失控时, 不能及时发现, 造成极大损失, 所以在温室大棚内配备的温湿度监测装置同样能起到故障报警的作用, 在发生危险时升起卷帘, 避免不必要的损失等。

1.4 重要组成部分

51单片机:实际上是一个51微处理器, 可以通过对其编程进行控制, 单片机的芯片不能独立应用于某种工业产品必须借助于外围电路的协调配合。单片机的组成部分有:中央处理单元、随机存取存储器RAM、固体半导体仅读存储器ROM、中断系统、定时器和计数器以及I/O接口电路等, 此系统设计选用的是STC89c52这款单片机。

三相异步电动机:是感应电动机的一种, 由380 V三相交流电(相位差120度)同时供电。与单相异步电动机相比, 三相异步电动机性能良好, 可节省多种材料。

温湿度传感器:DS18B20是一线式数字温度传感器, 具有独特的单线式接口方式, 测量温度范围在-55 ℃~125 ℃, 误差为±0.5%。最高精度可达0.062 5 ℃。HS1101是电容式湿度传感器, 可测相对湿度范围在0%~100%RH, 误差为±2%RH。

光照传感器:HA2003光照传感器采用先进模块, 将光照强度值转化为电压值, 再经调理电路将此电压值转换为0~2 V或4~20 mA, 高精度光强测量体积小, IP 65保护级设计传感器强, 耐腐蚀, 响应速度快, 电压或电流输出可选择, 长电缆传输时电流输出无信号衰减。

蓝牙模块:蓝牙芯片集成电路, 基本上用于容纳无线通信中, 该模块接受并传送指令, 单片机执行指令, 遥控器等负责控制。该系统选用HC06蓝牙模块, 此模块是一款专为数据传输设计的蓝牙模块, 遵循蓝牙2.0协议。支持SPP蓝牙串口协议, 支持UART接口。具有成本低, 兼容性好, 功耗低等优点。可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对。宽波特率范围4 800~1 382 400, 并且模块兼容5 V/3.3 V单片机系统。宽电压供电:3.3~5.5 V。

物联网模块:主要由天线、通讯模块(内含贴片石英晶振, GSM/GPRS等), Mini-USB, 以及一张运营商USIM卡所构成。具有防盗定位功能, 用户通过手机接受并发送指令, GSM接收指令, 单片机读取执行, 可通过互联网远程控制卷帘机。该系统选用的是TC35模块。

LCD液晶显示屏:实时显示温室大棚内外传感器监测数据, 该系统选用的是LCD1602液晶显示屏, 1602液晶也叫1602字符型液晶, 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

基于51单片机的智能大棚卷帘机控制系统硬件电路图如图 2所示。

2 系统的程序设计与开发

温湿度传感器、光照传感器等监测到的数据经过单片机处理显示在液晶显示屏上, 用户可以直观的查看数据, 单片机通过程序算法判断时间、温度、光照强度等各种数据是否在设定的范围内, 从而控制卷帘机的运行状态。当用户手动控制卷帘机运行时, 可以通过按键、蓝牙、终端设备等控制单片机, 从而控制卷帘机, 用户指令优先于单片机自动控制的指令。具体软件程序实现流程见图 3。

单片机的编程语言可以是汇编语言, 也可以是高级语言, 如由C语言演变而成的C51语言等。

汇编语言产生的目标代码短, 存储空间小, 执行速度快, 可以充分发挥单片机的硬件功能。然而, 对于复杂的应用, 汇编语言编程比较复杂, 程序的可读性和可移植性不强。

相对于汇编语言, 高级语言产生的目标代码长, 占用的存储空间大, 执行速度慢。在大多数情况下, C语言的机器代码生成效率与汇编语言相同, 但可读性和可移植性远高于汇编语言, 编程效率远高于汇编语言。

如果存储空间比较小, 且对高实时性要求高, 应该使用汇编语言。如果系统的存储空间比较大, 且对实时性的要求不高, 则应使用C51语言。如果系统中的某些模块要求较高的实时性, 而其他模块的实时性要求不高, 则可以将这两种语言结合在一起。程序的主体部分用C51编程, 实时性要求高的模块用汇编语言编程, 然后将汇编语言模块嵌入到C51语言程序中。无论是高级语言还是汇编语言源代码必须被转换成目标程序单片机才可以执行^[9]。

3 结论

智能大棚卷帘机控制系统通过硬件和软件的设计, 同时考虑多种情况, 解决安全性问题, 从根本上杜绝了人员伤亡问题, 提高了自然资源的利用率, 减少了人力物力, 提高了效率，加快了农业自动化、智能化的发展, 该产品安全性高、实用性强、成本较低, 有很大的市场潜力。经过多次调试和修改, 成功的将多种传感器集成于系统中, 较好的实现了各项功能设计。

基于单片机的智能大棚卷帘机控制系统是从半自动化向全自动化过渡的标志, 代表着卷帘机的发展方向。将来不仅可以把这种方法应用于大棚自动卷帘这一方面, 还可以应用于温室大棚自动放风机、蔬菜自动滴灌、自动水肥一体化、植物秸秆发酵、焚烧发电、无害化处理等的各个方面, 如图 4所示的温室大棚的智能控制系统示意图, 从而实现真正意义上的现代生态农业、现代农庄。