高中电子控制技术课程在农业领域的应用

摘要

针对传统农业大棚需要依赖人工管理来维持其正常运营的困扰，基于开源电子平台Arduino和C语言开发环境，设计一套农业大棚自动控制系统，实时监测大棚中环境要素（光照、空气温湿度、土壤湿度、CO₂浓度），控制补光灯、风扇、水泵和电机来调节环境要素，直到适合农作物生长，最终达到提高农业生产效率、发展智慧农业的目的。

Graphical abstract

关键词

通用技术 / 高中 / 电子控制技术 / 农业大棚 / Arduino / 自动控制

加强科学教育，抓好实验教学和科普活动，开展人工智能教育，提高学生信息素养，激发科学兴趣，培养创新精神，增强实践能力^［1］。强国必先强农，农强方能国强。习近平总书记在中央农村工作会议上指出：全面推进乡村振兴、加快建设农业强国，是党中央着眼全面建成社会主义现代化强国作出的战略部署。锚定科技装备加快推进高水平农业科技自立自强，面向农业生产需求优化农业科技创新方向和重点，整体提升从基础研究、应用研究到推广普及的创新体系效能，进一步加强农村基础设施建设，提高农业装备水平^［2］。

教育的本质是让学生掌握幸福度过一生的本领，因此学以致用在通用技术中更为突出。深化科教兴国和农业强国都是社会主义现代化的战略部署，农业大棚自动控制系统设计的教学将这两者完美结合，将高中电子控制系统设计应用到农业领域中去，其研究价值在教育方面能够有效提高学生通用技术学科的核心素养，帮助学生形成技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力，对未来科技教育发展具有重要影响^［3］；在农业方面为现代化农业发展的智能化提供了基础研究的技术解决方案^［4］。

1 发现与明确问题

近几年来，在农业领域的自动控制技术已有应用先例，其中无线通信技术与电子控制技术的结合，使现代农业生产上了一个台阶。我国大部分以传统家庭农场为主，传统农业大棚以人工劳动和生产经验去管理运行，其生产方式效率低，不能有效和精确地控制农作物的生长环境，会影响农作物的产量和质量^［5］。

传统农业大棚中农作物的生长和产量容易受到自然环境的影响。大棚中农作物的生长与温度、湿度、光照强度、空气质量等环境要素有关^［6］，良好的环境能促进其生长和发育，从而增加其产量，并能够有效减少大棚内病虫害的发生，提高农产品的质量^［7］。

传统地面灌溉系统容易造成水资源的浪费，因为灌溉水会渗透到土壤中，一部分水会被植物吸收，而另一部分水会流失到地下或被蒸发到空气中；对于地形的适应性较差，难以在复杂的地形上进行灌溉；需要人工操作，劳动强度较大；易造成水流冲刷化肥，水肥混合不均匀导致浪费资源，过度使用化肥导致生态环境污染、土壤板结、作物减产^［8］。

2 构思设计方案

2.1 总体框架

在明确问题后利用电子控制技术去解决相关问题，可帮助学生形成技术意识。大棚自动控制系统需要满足的功能可以通过设备调节大棚内的环境达到理想状态，采用如图1所示的闭环控制系统，利用反馈的方法可创造适宜农作物生长的环境。

系统由环境信号输入、控制处理和执行命令输出3个部分组成^［9］。传感器采集空气、土壤和光照的物理参数；其数据转化成电信号输入控制处理器，处理器对输入信号进行比较、分析和判断；并对输出部分的执行部件（补光灯、风扇、电机等）发出指令调节环境，对系统的控制产生影响，最终实现大棚环境自动控制的效果。

2.2 设计方案

针对影响大棚中农作物生长的几个环境要素展开探索，控制系统基于Arduino开发设计，其中包含5个环境要素（光照强度、土壤湿度、空气湿度、空气温度和CO₂浓度）和6个系统（滴灌系统、光照系统、幕帘系统、通风系统、显示系统、报警系统）。如图2所示，通过电子控制技术，实时采集分布在大棚内的空气温湿度、土壤湿度、光照强度等环境要素数据，经过Arduino控制器处理分析，可以按照预先设置的参数进行比较判断，然后发送指令自动调节相应的环境调控设备（补光灯、水泵、步进电机、风扇），实现精准调控5个环境要素的目标。

通过电子控制技术，可为农作物提供适宜的生长环境，实现增产、增效、提质的目的，同时该系统有节约水资源、降低人工成本、生态低碳农业等一系列优点。

3 硬件电路设计

3.1 控制器选择

大棚内的5个环境要素具有复杂性，需要选择能够同时采集这5个环境信号，并能输出多路信号控制环境调控设备的开源处理器，因此，可选择Arduino UNO开发板作为系统控制器。如图3所示，此开发板具有学习使用简单、价格便宜、更大的内存和更快的转换速度等优点。此外，该控制器还兼容I/O扩展，内部自带10位AD采样电路，使用非常方便且编写控制程序简单，这些都有利于多路输入输出数据的控制。要采集多路环境要素信号，开发板要满足连接多个传感器的需求。如图4所示，I/O扩展板把Arduino的端口扩展成3P接口、14个数字口和6个模拟口。模拟引脚连接数据采集的各种传感器（光照强度、土壤湿度、空气温湿度和气体传感器等），数字引脚连接环境调控设备（补光灯、水泵、风扇和步进电机等）和报警装置蜂鸣器，I2C接口连接显示设备。

3.2 采集模块选择

系统设计明确了大棚内所需监测的5个环境要素，其中光线采集模块选择基于PT550环保型光敏二极管的光线传感器，可以用来对环境光线的强度进行检测；土壤湿度采集模块选择简易的水分传感器，可以用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，传感器输出值减小，反之增大（数值为0~300时干燥土壤、300~700时湿润土壤、700~950时相当于放入水中）；空气温湿度采集模块选择含有已校准数字信号输出的DHT11温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，其检测温度范围：0～50 ℃，误差±2 ℃，湿度范围：20%~90% RH，误差±5% RH；CO_２浓度采集模块选择基于气敏元件的MQ2气体传感器，可以很灵敏地检测到空气中的烟雾、CO_２等气体的含量。

3.3 执行部件选择

环境信号被传感器采集后，经过Arduino控制器处理输出到6个系统中的执行部件，其中包含控制光照系统、滴灌系统、幕帘系统和通风系统的环境调控设备，显示设备和报警设备。

光照系统选择RGB全彩LED点阵模块，其支持单总线控制，仅需一根管脚即可控制所有LED，并且模块支持级联控制，可以实现大棚内多点位多模块同时控制，不占用管脚资源。每个LED拥有独立地址位，可以单独控制，并且每一个RGB像素点可实现256级亮度显示，有利于按需调控光照强度，使大棚内植物得到均匀光照。

滴灌系统选择新款潜水泵，兼容性好，4.5~12.0 V宽电压供电范围，扬程：40~220 cm，流量：100~350 L/H。它采用静音设计，工作时的音量小于40 dB，内置过滤器并装有吸盘，因此能够紧紧地粘在雨水接收池的底部，使用它为滴灌系统提供水压，进而为植物浇水。

通风系统选择130直流电机风扇模块，该模块不需要额外的电机驱动就可以被Arduino轻松驱动，根据大棚内环境调控的需求，可以使用脉冲宽度调制（PWM）来调节电机转速。

幕帘系统选择超小型步进电机，配100 ∶1金属减速箱，为驱动卷帘开合可提供更大的扭矩输出；支持5~12 V宽电压输入驱动，选择步进电机的另一个原因是卷帘的升降需要确定精确位置，而步进电机停止的位置取决于脉冲信号，而不受负载变化的影响；同时可以通过控制脉冲频率达到调速卷帘升降的目的。

报警系统选择最简单的发声装置蜂鸣器，只需要控制数字引脚的高低电平信号就能够驱动。

显示系统选择I2C LCD 1602液晶模块，对初学者来说，不必为复杂液晶驱动电路连线，I2C接口的LCD显示器只需2根线就可以实现数据显示，还能串联多个I2C设备，以供后续提供多点位监测显示做准备。

4 系统程序设计

4.1 权重要素法

大棚自动控制系统由多环境要素组成，调控各个要素时又会发生相互影响，因此需要确定5个环境要素对农作物生长的权重来保证控制系统的合理性。由于大棚内种农作物不可控，通过类比推理其他植物，采用主观赋权方法确定空气温度和光照强度的占比均为25%，CO₂浓度和土壤湿度的占比均为20%，空气湿度占比为10%^［10］。

4.2 系统工作流程

Arduino有图形化和C语言两种主流开发环境，相对图形化编程，C语言更能深入理解编程语言逻辑，并且可以缩短开发周期，程序可读性较强。系统开发过程如下：初始化阶段定义传感器和调控部件的引脚，1602显示屏和DHT11温湿度传感器需要调用库函数。主函数嵌套在循环函数内，读取采集5个环境要素的数值，对于模拟信号的数值需要进行映射，将所有输入信号一一呈现在显示屏上。当数值超出阈值时启动蜂鸣器报警，这样可以实时监测大棚内的5个环境要素。

数据处理阶段根据传感器采集的环境数据与预设值比较判断，光照强度与土壤湿度的控制通过选择结构做单层判断，依据判断结果赋值I/O口控制补光灯与水泵的开关；空气湿度与CO₂浓度的控制需要做双层判断，第一层判断当空气湿度低于阈值会开水泵进行喷雾，否则关闭水泵，第二层判断当空气湿度高于阈值会打开风扇通风降低湿度，对于CO₂浓度过低的情况，可采用手工增施有机肥料的方法进行调节；空气温度的控制由三层判断组成，当低于阈值时，需要关闭卷帘进行保温；当超过阈值时，通过风扇排风降温，而不是通过打开卷帘调节温度。因为光照强度和温度对植物的权重占比相当，所以第三层还要判断光照强度是否适当以便及时打开卷帘让农作物吸收阳光。

5 展望和结语

系统缺少对阈值的精确控制，需要大量实验才能确定；在系统设计中，对功能性做了过多的研究，在应用性上还存在诸多问题，例如所选设备是否满足实际功能，设备安装位置是否合适，数据远距离采集点是否安置合适等问题；虽然可以实现大棚自动控制，但是未能为用户提供远程监控功能，在后期的设计中可以增加视频模块和远程控制功能，以便用户对大棚及时进行人工干预。大棚自动控制系统设计安排在高中电子控制技术课程中，对发展生态低碳智慧农业有一定研究价值，可培育现代化建设人才的创新素养；对推进基础教育数字化战略，探索信息技术多场景应用，实现生产与教育教学深度融合等方面有着重要意义。

参考文献

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