张　胜　王海晓　翟龙涛　刘志远

（德州学院　机电工程学院，山东　德州　253023）



新型智能无人大棚的研究与设计

张胜王海晓翟龙涛刘志远

（德州学院机电工程学院，山东德州253023）

摘要：新型智能无人大棚是立足于农业现代化，利用多元化的控制及传感技术来促进农业增产增收。大棚由型号为51的单片机与嵌入式linux操作系统和ARM处理器等器件组成核心控制系统，并配合土壤湿度检测加湿装置、温度控制模块、GMS短信模块、太阳能供电能源转换系统和风力发电机组等，一举实现对大棚的远程监控、远程管理。总的来说，一方面多种先进技术的综合利用实现了现代农业的规范化、自动化生产发展，减少了人力资源的投入；另一方面，太阳能和风能的综合利用，响应了国家节能减排的政策号召，降低了农业生产时所需要的大量能源消耗，实现环境友好型农业跨越式发展。

关键词：现代农业；单片机；智能调节；远程管理；节能减排

经过近40年的改革与发展，我国农业进入一个新的发展阶段。新阶段下农业继续朝着多样化、优质化、智能化的大方向发展。因此，要加快农业发展步伐，就必须把高科技应用到农业生产上，大力拓宽农业化生产增收道路，加快农业现代化建设步伐。新型智能无人大棚属生态保护型项目，对环境无任何污染和破坏。不仅符合人们“环保”“绿色”“无污染”的消费理念，同时也提高了农业综合生产能力，促进经济发展，着力建设环境优美的新农村。

1　系统简介

1.1作品组成部分

新型智能无人大棚由核心控制系统和执行系统构成。其中，核心控制系统采用型号为51的单片机与嵌入式linux操作系统和ARM处理器相结合共同构成，在整个棚内设施中起主导支配作用；执行系统由土壤湿度检测加湿装置、温度监测与控制模块、GMS短信模块、太阳能供电系统和风力发电能源装换机组组成。控制系统与执行系统的全方位无缝隙配合，实现了现代农业大棚能源自给自足、远程监控、远程管理的多项功能［1］。

1.2单片机主控系统

新型智能无人大棚单片机控制系统由型号为51的单片机与嵌入式linux操作系统和ARM处理器等组成，本控制系统主要主导对各个分模块的信息输送，同时对各个分模块反馈的各项监测数据进行分析处理、整理，并重新向各个分模块发送调整完毕的执行数据，即单片机主控系统可以全面代替人工来完成棚内的调节管理工作。大棚管理者可以利用GMS短信模块通过互联网登录An⁃droid客户端远程智能获取与处理作物生长过程中的各项状况信息及环境参数，所以管理者足不出户就可以便捷的管理新型智能无人大棚。

1.3土壤湿度检测加湿模块

该模块主要有湿度计检测模块、水泵加湿装置、显示屏等器件构成。在作物合理密植的情况下，每4m2土地就需要1个湿度检测计实时监测土壤的湿度状况。当湿度检测计检测模块检测到棚内土壤湿度不够时，控制系统会自行启动水泵加湿装置进行抽水灌溉加湿作物土壤。同时，显示屏会显示棚内湿度状况。多项监测装置紧密配合，创造作物生长的最佳土壤条件。

1.4温度控制模块

模块包括温度传感器、温度计检测模块、风扇散热器、光暖加热器和显示屏等主要器件。当温度检测计模块检测到棚中温度偏高时，控制系统会使风扇散热器自动开启，为作物生长的环境降温；当棚内温度偏低时，控制系统同样会开启光暖加热器，达到棚内升温的目的。实时调控棚内温度，切实调节作物生长所需温度，有利于作物生长。

1.5太阳能供电能源转换系统和风力发电机组

太阳能供电能源转换系统，主要有太阳能板、蓄电池组、光敏传感器、控制器和逆变器等组成。当太阳升起时，光敏传感器会接受到太阳光的信息，即能实现太阳能板跟踪太阳的功能，提高太阳能利用率。风力发电机组包括风力发电机、蓄电池组等主要部件。外界自然风吹拂风力发电机时，可实现风力发电的功能，此系统发出的电能可通过安装在地下的蓄电池组储存起来，以辅助解决无风或夜晚的电力短缺问题，太阳能和风能的综合互补利用完全可以保障新型智能无人大棚内部设备用电需求，实现全天候电力的充沛供应。不管是在郊区还是在远离电厂的荒郊野外，该棚都有一个独立的能源自给系统，节能减排。

2　工作原理

新型智能无人大棚是立足于农业，应用现代化的技术来促进农业发展，大棚内多元化利用传感技术来保障农业增产增收。通过控制系统（主要由51单片机构成的控制系统）和土壤湿度检测计控制水泵加湿装置，方便及时对作物土壤进行湿度的调控；应用温度控制模块通过控制风扇散热器达到降温目的；当棚内温度过低时，控制系统会开启光暖加热器给环境升温，确保作物良好的生长环境；此外，新型智能无人大棚附带的太阳能板具有自动跟光功能，切实提高太阳能的利用率（见图1）。大棚还装有风力发电机组，将风能应用到农业生产当中。太阳能和风能的综合利用，响应了国家节能减排政策的号召，降低了农业生产时所需的大量能源消耗。用户可以通过GMS短信模块实现远程监控棚内的作物生长情况及各项环境参数，达到智能化、科学化、远程化、生态化的实际管理应用效果。

图1 产品主要部件及其模块结构工作原理图

3　市场前景及应用价值

目前，实际生产中的同类大棚智能化程度不高，且需大量的电力供应设备及生产人员的前期投入，费用高昂。本大棚不需太多的人力来管理，基本上实现了无人化自行调节和管理。而且使用地点不受限制，可以广泛地建设在有农家乐的郊区、遥远的野外、山口或海边的风区等远离电厂地段，可自给电力需求达到节能环保的应用效果。另外，还有国家大力发展现代农业的政策支持，潜力巨大。

4　结语

新型智能无人大棚一方面解决了农业作物生产中对人力资源的严重依赖性问题；另一方面，可以降低高昂的能耗降低成本，是一种集低碳、节能、环保、旅游于一体的新型农业发展形式。该棚的出现更是促进我国现代化农业又向前迈出了坚实的一大步。可以说，多种技术的综合利用正在进一步实现我国现代化农业的规范化、自动化生产发展。另外，应用现代化科学技术可以规避作物季节性旱涝的风险，确保作物的增产高产。新型智能无人大棚还可以作为观光旅游和生态农业相结合的良好试点，游人既可以体验到农业的魅力，又可以享受来自乡村的淳朴风采。

参考文献：

［1］秦曾煌.电工技术［M］.北京：高等教育出版社，1999.

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）02-0048-02

收稿日期：2016-01-25

作者简介：张胜（1993-），男，本科，研究方向：能源与动力工程。

Research and Design of a New Intelligent Unmanned Greenhouse

Zhang ShengWang HaixiaoZhai LongtaoLiu Zhiyuan
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Dezhou University，Dezhou Shandong 253023）

Abstract:The new intelligent greenhouse is based on the agricultural modernization,the use of diversified control and sensing technology to increase agricultural production and income.Greenhouse devices form the core of the control system that consists of models for 51 MCU and embedded Linux operating system and arm processor,and with the soil moisture detection humidifying device,a temperature control module,GMS SMS module,solar powered energy conversion systems and wind generator,we realized the remote monitor⁃ing,remote management of greenhouse.Total to say,the comprehensive utilization of a variety of advanced technology realized modern agriculture standardization and automation of the production development,reduc⁃ing the investment in human resources;on the other hand,comprehensive utilization of solar energy and wind energy,it responded to the national energy conservation and emission reduction policies,and reduced the large amount of energy consumed in the agricultural production,and realized the great leap forward de⁃velopment of environmental friendly agriculture.

Keywords:modern agriculture；singlechip；intelligent regulation；remote management；energy saving and emis⁃sion reduction