CN218974818U - 一种农业低碳自动化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种农业低碳自动化系统，涉及低碳农业技术领域，包括环境监测模块、控制器、环境改善执行模块、多源供电模块，其中，环境监测模块用于监测农业大棚内环境参数，包括土壤湿度传感器、温度传感器、二氧化碳传感器、光敏电阻；控制器用于接收环境参数，并发出控制指令；环境改善执行模块用于对大棚内环境进行改善，包括土壤湿度调节系统、室内温度调节系统、室内二氧化碳浓度调节系统、室内光照调节系统；多源供电模块用于为系统供电，包括光伏发电系统、风力发电系统和蓄电池。本实用新型系统成本低，能够高效利用自然资源，还可对农作物生长因素进行人工干预与调节，促进作物产量与质量的提高，具有良好的经济效益和生态效益。

Description

一种农业低碳自动化系统

技术领域

本实用新型涉及低碳农业技术领域，更具体的说是涉及一种农业低碳自动化系统。

背景技术

农业是支撑整个国民经济不断发展与进步的保障。农业现代化在技术上就是采用现代的机械技术和生物技术装备农业，建立起现代化的农业科技体系，其作用主要是节约劳动、提高效率、提高农产品质量。

为提高农作物产量，尤其是提高果蔬作物的产量和质量，现代农业大棚种植越来越普遍，但现代化水平依然较低，全部人力控制或自动控制能力差、控制精度低。

随着经济的高速发展，人们对环境的保护观念越发成熟，因此对能源提出越来越高的要求，新能源成为当前人类面临的迫切需求，其中太阳能发电以太阳作为主要能源，将太阳能转化成电能存储起来，供家庭用电使用，同太阳能发电一样，风力发电是利用风的动能转化为电能，风能也是一种清洁无公害的可再生能源。

现有的太阳能风力发电系统存在着能源转化效率低的问题，并不能很好的对设备进行稳定供电，且太阳能能源的利用过程会出现热量浪费以及热量积压，导致设备故障，并且电能的利用范围较小。

因此，如何综合利用太阳能、风能等自然资源，同时减少太阳能利用时的热量积压，对现代农业低碳自动化系统进行精准控制，改善大棚农作物生长环境，提高农作物产量和质量，是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种农业低碳自动化系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种农业低碳自动化系统，包括环境监测模块、控制器、环境改善执行模块、多源供电模块，所述环境监测模块、控制器、环境改善执行模块依次连接，其中：

环境监测模块用于实时监测农业大棚内环境参数，包括土壤湿度传感器、温度传感器、二氧化碳传感器、光敏电阻；

控制器用于接收环境监测模块传输的环境参数，并发出控制指令至环境改善执行模块；

环境改善执行模块用于对农业大棚内环境进行改善，包括土壤湿度调节系统、室内温度调节系统、室内二氧化碳浓度调节系统、室内光照调节系统；

多源供电模块用于为环境监测模块、控制器、环境改善执行模块进行多源供电，包括光伏发电系统、风力发电系统和蓄电池。

可选的，所述控制器为AT89C2051单片机。

可选的，所述土壤湿度调节系统包括相连接的水泵和集水箱。

可选的，所述室内温度调节系统包括依次通过管道连接的换热器、存储箱、控温管道，所述换热器与光伏发电系统连接。

可选的，所述室内二氧化碳浓度调节系统包括相连接的第一电机和棚窗。

可选的，所述室内光照调节系统包括设置在农业大棚侧面的采光板和设置在农业大棚内的补光灯。

可选的，所述光伏发电系统包括光伏板、阳光追踪传感器、第二电机、传动机构，所述阳光追踪传感器设置在光伏板靠近阳光一侧的表面上，所述阳光追踪传感器、第二电机分别与控制器电连接，所述第二电机与传动机构连接，所述传动机构与所述光伏板连接；所述传动机构包括齿轮和链条，所述齿轮和所述链条啮合。

可选的，所述风力发电系统包括风力发电机。

可选的，还包括显示器和按键模块，所述显示器用于显示当前农业大棚内环境参数，所述按键模块用于设置农业大棚内环境参数设定值。

经由上述的技术方案可知，本实用新型提供了一种农业低碳自动化系统，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)综合利用太阳能、风能等自然资源作为发电源，低碳、绿色环保，同时结合蓄电池，具有昼夜互补、季节互补等特点，能够多源、持续、稳定、高效地对系统内装置设备进行供电，提高对抗恶劣气候能力，具有良好的经济效益和生态效益。

(2)光伏发电系统不仅能够输出电能，而且室内温度调节系统对光能转化电能的过程中产生的热量进行了充分利用，一方面提高了能源利用率，另一方面减少光伏板位置的热量积压，提高了光电转化的效率，保障设备安全。

(3)将智能控制、农业种植、自然资源利用相结合，精准对接农作物生长需求环境条件，提高了农作物的产量与质量，节约了人力成本和资源使用。

综上，本实用新型系统成本低廉，能够高效利用自然资源，还可对农作物生长因素进行人工干预与调节，促进作物产量与质量的提高，具有良好的经济效益和生态效益，发展前景十分广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为光敏电阻电路图；

图3为DS1302时钟芯片电路图；

图4为AT89C2051单片机引脚图；

图5为时钟电路图；

图6为水泵调节电路图；

图7为按键电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种农业低碳自动化系统，主要用于农业种植大棚升级改造，参见图1，包括环境监测模块、控制器、环境改善执行模块、多源供电模块，所述环境监测模块、控制器、环境改善执行模块依次连接，并使用多源供电模块进行供电。

一、环境监测模块

环境监测模块用于实时监测农业大棚内环境参数，例如土壤湿度、室内温度、室内二氧化碳浓度以及植物的光照强度等，故本实施例中环境监测模块包括土壤湿度传感器、温度传感器、二氧化碳传感器、光敏电阻等装置。

土壤湿度传感器设置于农业大棚的种植基质内，日常用来检测泥土的湿度。本实施例选取YL-69土壤温度传感器进行土壤湿度检测，其灵敏度可调，数字输出简单，模拟输出准确。

温度传感器设置于农业大棚内，本实施例选用DS18b20数字温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

二氧化碳传感器设置于农业大棚内，本实施例选用ZK-CO₂二氧化碳传感器，采用近红外吸收原理，检测环境中CO₂的浓度，具有精度高、稳定性好等特点。

光敏电阻位于农业大棚内，本实施例选用GL4548-2光敏电阻对光照强度和光照时间进行检测。光敏电阻可以在不同运动状态以及电子的光照强度下表现为不同的电阻值，当照射光强缓慢增加时，电阻值不断减小，变化趋势呈现为负相关，反之亦然。本实施例设计将光敏电阻并联在土壤湿度传感器的电路中，电路图如图2所示。

DS1302芯片是比日常中比较常用的一种时钟芯片，它具有计时的功能。在本实施例的系统中，因为要加上定时功能，所以选择在系统加入DS1302芯片，能够对日期、时间等信息作统计，通过设置键来设定时间，也可以将时间显示在显示屏上。电路图如图3所示。

二、控制器

控制器用于接收环境监测模块传输的环境参数，并发出控制指令至环境改善执行模块。

所述控制器选用AT89C2051单片机，引脚图USB转串口芯片CH340，CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线，在红外方式下，CH340外加红外收发器即可构成USB红外线适配器，实现SIR红外线通讯。AT89C2051的引脚图如图4所示。

AT89C2051单片机的具体参数如下：

(1)全速USB设备接口，兼容USBV2.0，外围元器件只需要晶体和电容。

(2)仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。

(3)计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。

(4)硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps。

(5)支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。

(6)通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。

(7)支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps。

(8)软件兼容CH341，可以直接使用CH341的驱动程序。

(9)支持5V电源电压和3.3V电源电压。

(10)提供SSOP-20和SOP-16无铅封装，兼容RoHS。

AT89C2051单片机的内部包含了一个输入端与一个输出端，分别是以引脚XTAL1与XTAL2的放大器，使其达到搭建自激式振荡电路的目的，因此需要在XTAL1及XTAL2引脚中装设晶体振荡器、陶瓷振荡器，此电路的输出能够传送到程序内部的时序电路。对于单片机的时钟电路，其重要性相当于人体的大脑，控制着单片机的运行频率。而连接单片机的主要形式通常包括以下两种：外部时钟形式、内部时钟形式。之所以选用此方案的内部时钟的理由为：一个高增益放大器和相位平方芯片内部外部跳线晶体，调谐电容时钟电路生成的结构形式，电路图如图5所示。

具体实施例中，单片机可通过继电器与环境改善执行模块连接，通过控制若干个对应的继电器，进而控制环境改善执行模块的各个部分的执行。因此为实现单片机引脚对各调节设备的驱动，选择额定工作电压为5V的松乐SRS-05VDC-SL继电器，其成本低，使用方便，适用范围较广。对应的，所述继电器分为水泵控制继电器、供暖控制继电器、通风控制继电器、补光控制继电器。

三、环境改善执行模块

环境改善执行模块用于对农业大棚内环境进行改善，包括土壤湿度调节系统、室内温度调节系统、室内二氧化碳浓度调节系统、室内光照调节系统等。

(1)土壤湿度调节系统包括相连接的水泵和集水箱。当土壤湿度传感器检测到土壤湿度低于设定值下限时，单片机浇灌设备引脚输出高电平，继电器启动水泵开始工作；当土壤湿度传感器检测到土壤湿度高于设定值上限时，单片机浇灌设备引脚输出低电平，浇灌水泵不工作或停止工作。

图6为水泵浇灌控制电路，水泵为对应的调节设备。其中三极管发射极E连接继电器线圈的端点，线圈的另一端接到+5V电源VCC上，三极管Q1的基极B连接单片机P3.6上；继电器线圈两端并联二极管IN4148，以实现继电器线圈停电时引发的反向电动势的消除，避免反向电势击坏三极管、扰乱其余电路；R2同红色发光二极管构成一个继电器状态指示电路，如果继电器通电吸合，LED将会变亮，由此就可以实现对继电器操作状态的检测。

其他调节设备控制电路与水泵浇灌控制电路设计方式相同。

(2)室内温度调节系统包括通过管道依次连接的换热器、存储箱、控温管道，所述换热器与光伏发电系统连接。换热器与光伏发电系统通过管道相连，所述管道内有第一热交换介质，所述第一热交换介质吸收光伏发电系统中光伏板产出的热量，并传递至换热器内，在换热器中，所述第一热交换介质与第二热交换介质进行热交换，将热量传输至第二热交换介质，高温的第二热交换介质存储于存储箱内，故存储箱中存有大量的高温介质。当温度传感器检测棚内温度低于设定值下限时，单片机驱动供暖设备引脚输出高电平，继电器控制供暖设备工作，存储箱内的高温介质传输至控温管道，通过高温控温管道，提高大棚内环境温度；当温度传感器检测棚内温度高于设定值上限时，单片机驱动供暖设备引脚输出低电平，供暖设备不工作或停止工作。

(3)室内二氧化碳浓度调节系统包括相连接的第一电机和棚窗。当二氧化碳传感器检测棚内二氧化碳浓度超出设定值上限时，单片机驱动通风设备引脚输出高电平，继电器驱动第一电机打开棚窗进行通风；当二氧化碳传感器检测棚内二氧化碳浓度小于设定值下限时，单片机驱动通风设备引脚输出低电平，通风电机不打开棚窗或关闭棚窗。

(4)室内光照调节系统包括设置在农业大棚侧面的采光板和设置在农业大棚内的补光灯。通常情况下，白天通过采光板反射太阳光，对棚内植物进行补光，当间隔预定黑夜时长后光敏电阻采集的光照强度小于设定值下限或光照时长小于设定值下限时，单片机驱动补光灯引脚输出高电平，继电器开启植物补光灯工作；当间隔预定黑夜时长后光照强度大于设定值上限或光照时长超过设定值上限时，单片机驱动补光灯引脚输出低电平，植物补光灯不工作或停止工作。

四、多源供电模块

多源供电模块用于为环境监测模块、控制器、环境改善执行模块等进行多源供电，包括光伏发电系统、风力发电系统和蓄电池，其中光伏发电系统和风力发电系统作为供电主要来源为其他装置进行供电，通过对风力发电和光伏发电进行同步控制与调配，保证系统供电稳定性以及可靠性。蓄电池作为备用电源，用于特殊情况下的系统供电。

其中，光伏发电系统包括光伏板、阳光追踪传感器、第二电机、传动机构，所述阳光追踪传感器设置在光伏板靠近阳光一侧的表面上，所述阳光追踪传感器、第二电机分别与控制器电连接，所述第二电机与传动机构连接，所述传动机构与所述光伏板连接；所述传动机构包括齿轮和链条，所述齿轮和所述链条啮合。光伏发电系统利用阳光追踪传感器实时监测太阳光的照射方位，控制器接收所述太阳光照射方位数据，并发出控制指令以控制第二电机运行，带动传动机构运转，从而调节光伏板的朝向。

风力发电系统包括风力发电机，在具体实施例中可以将风力发电机安装在大棚的四个角上。

上述控制器可以是整个农业低碳自动化系统的控制器，也可以令设单独的风光互补控制器以控制各个供电单元的运转，对此，本使用新型不做具体限制。

在另一实施例中，所述农业低碳自动化系统还包括显示器和按键模块。

所述显示器用于显示当前农业大棚内环境参数，可选择LCD1602显示器，按照系统的需求，可以同时显示出16*02即32个字符的16脚(带背光)模块。

因需要对系统的设计参数设定，所以加入按键模块。按键模块的电路设计如图7所示，SW1是模式键，SW2是设置键，SW3是调整加键，SW4是调整减键。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种农业低碳自动化系统，其特征在于，包括环境监测模块、控制器、环境改善执行模块、多源供电模块，所述环境监测模块、控制器、环境改善执行模块依次连接，其中：

环境监测模块用于实时监测农业大棚内环境参数，包括土壤湿度传感器、温度传感器、二氧化碳传感器、光敏电阻；

控制器用于接收环境监测模块传输的环境参数，并发出控制指令至环境改善执行模块；

环境改善执行模块用于对农业大棚内环境进行改善，包括土壤湿度调节系统、室内温度调节系统、室内二氧化碳浓度调节系统、室内光照调节系统；所述土壤湿度调节系统包括相连接的水泵和集水箱；所述室内温度调节系统包括依次通过管道连接的换热器、存储箱、控温管道，所述换热器与光伏发电系统通过管道连接，所述管道内有第一热交换介质，第二热交换介质存储于存储箱内；

多源供电模块用于为环境监测模块、控制器、环境改善执行模块进行多源供电，包括光伏发电系统、风力发电系统和蓄电池；所述光伏发电系统包括光伏板、阳光追踪传感器、第二电机、传动机构，所述阳光追踪传感器设置在光伏板靠近阳光一侧的表面上，所述阳光追踪传感器、第二电机分别与控制器电连接，所述第二电机与传动机构连接，所述传动机构与所述光伏板连接；所述传动机构包括齿轮和链条，所述齿轮和所述链条啮合。

2.根据权利要求1所述的一种农业低碳自动化系统，其特征在于，所述控制器为AT89C2051单片机。

3.根据权利要求1所述的一种农业低碳自动化系统，其特征在于，所述室内二氧化碳浓度调节系统包括相连接的第一电机和棚窗。

4.根据权利要求1所述的一种农业低碳自动化系统，其特征在于，所述室内光照调节系统包括设置在农业大棚侧面的采光板和设置在农业大棚内的补光灯。

5.根据权利要求1所述的一种农业低碳自动化系统，其特征在于，所述风力发电系统包括风力发电机。

6.根据权利要求1所述的一种农业低碳自动化系统，其特征在于，还包括显示器和按键模块，所述显示器用于显示当前农业大棚内环境参数，所述按键模块用于设置农业大棚内环境参数设定值。

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