国家级大学生创新训练项目实施方法研究

[摘 要]本文以基于物联网智能大棚控制系统为例 ，阐述了国家级大学生创新训练项目的申报和实施过程，对项目中的智能大棚环境指标检测，温穸茸远控制，气体与光照补偿控制，ZigBee无线通信，友好人机交互界面设计等关键技术进行了分析，对同类项目的实施有较好的参考作用。

[关键词]项目 创新 控制 设计

中图分类号：P551 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0014-01

引言：

国家级大学生创新项目是为了促进高等学校转变教育思想观念，改革人才培养模式，强化创新创业能力的训练，增强高校学生的创新能力和在创新基础上的创业能力，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才 ，本人从以下几方面阐述了项目的实施方法。

一.项目申报

项目申报要立足于创新与实践 ，解决生产实际中的问题 ，通过查阅相关资料 ，确认了目前存在地域，气候，季节等自然环境限制农作物生长而传统的农业大棚无法准确提供植物需要的生长环境的问题，经过团队成员的研究，确认了一种新型的基于物联网的智能大棚控制系统，它是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度环境对生物生长的约束，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。主要功能是营造适合反季节作物生长的温室大棚环境，系统可以智能的对大棚内的环境进行检测，处理，能够根据植物生长的不同阶段需要不同的生活环境的要求来进行自我调节，完全智能化控制，系统能够根据不同的生长需要来自动控制温室内的空气温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数，并以直观的数据显示给用户，足不出户就能实现对大棚监控与管理，并提出了以下技术方案[1]。

（1）采用ZigBee无线传输系统，把温湿度传感器，光强传感器，土壤养料速测计，气体传感器，上位机以及单片机主控台组成一个协调工作的整体，能够实现集检测，处理，控制，显示等功能于一体的完整的工作系统。

（2）无线传感网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线通信形成的一个多跳自组织的网络，其主要目的是采集与处理该网络覆盖范围内监测参数的信息。无线传感网络在农业中的一个重要应用是在温室等农业设施中，采用不同的传感器和执行机构对土壤水分，空气温湿度和光照强度，二氧化碳浓度等影响作物生长的环境信息进行实时监测，系统根据监测到的数据将室内水、肥、气、光、热等植物生长所必需的条件控制到最佳状态，保证作物的增产增收[2]。

（3）运用物联网技术，利用大量的传感器节点构成了一张张功能各异的监控网络，通过各种传感器采集与作物生产有关的各种生产信息和环境参数，帮助农民及时发现问题，准确地捕捉发生问题的位置，对耕作、播种、施肥、灌溉等田间作业进行数字化控制，使农业投入品的资源利用精准化、效率最大化。

（4）结合太阳能供电技术，既节约电力资源，又保护环境。

二.项目实施

1.软件设计

基于物联网智能大棚是一个完整的智能控制系统，从各个传感器的检测，单片机数据处理，到各项指令下达，各个系统开始工作，人工控制，太阳能供电，整个系统需要高精度的整合。首先在温室大棚内要分布温湿度传感器，采用随机抽样的方式来检测大棚内的温度，和土壤的湿度，在合适位置安装光强传感器，气体浓度传感器，养分速测仪，能够定时的将大棚内的各项信息采集发送到主控中心，然后单片机把这些信息与设定的标准值进行比较，产生指令控制加温器，辅助色灯，CO2气体发生器工作，实现理想的大棚环境调节。同时单片机将信息通过ZigBee无线模块发送到电脑上位中，检测人员可以再上位机中设定好不同时间段的水量，温度，辅助光，气体浓度的标准值，整个系统可以自主的完成各项工作，保证温室大棚时刻保持在适合农作物生长的环境中。同时在温室大棚外面合适的地方安装太阳能电池板，通过太阳能给整个系统供电，符合低碳环保的时代主题。

2.硬件设计

本系统以STM32F103RCT6单片机主控，该单片机具有高性能，低成本，低功耗的特点，ARM Cortex-M3内核，时钟频率72MHz，集成各种拓展功能，完全满足设计需要，通过温湿度传感器，光强传感器，ZigBee无线模块等设备把整个控制系统连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化检测、定位、跟踪、监控和管理。可移植性、兼容性和稳定性都达到了另一个高度，对于不同的温室大棚都能够快速适应，能够实现系统的量产。

光强传感器：通过单片机接收并处理光强传感器检测到的光照强度，当外界光强不足以满足植物生长的要求时，单片机控制开启辅助色灯，并且色灯的颜色和强度可以根据实际需要进行自动调节，让大棚始终保持在一个适合作物生长的状态下[3]。

土壤养分和气体浓度检测：采用土壤养分速测仪和气体浓度传感器定期检测大棚内的养分情况，当检测值超过预设警戒范围时进行提示。

ZigBee无线通信：作为系统中各个模块的连接桥梁，各模块通信是枢纽，通过它使整个物联网系统成为一个紧密结合的整体。

上位机监控软件设计：在PC机上设计监控软件，实现单片机与上位机之间的数据传输，将整个温室大棚的实际情况显示给用户，并且使系统能够进行人为监控与设定。

三.成果展现

基于物联网的智能大棚控制系统在实验室经过了初步实施，智能大棚的实验模型已经搭建完毕，经过测试智能大棚的温度控制精确度在2℃以内，气体浓度跟随标准控制误差在4%以内，补偿灯光，湿度，生长周期检测等指标都达到预期要求，正在计划大规模智能大棚的设计建设。基于物联网的智能大棚控制系统在2015年“迈迪网杯”齐鲁机器人大赛获得一等奖；获得2015年济南大学科技创新大赛二等奖；申请实用新型专利《基于ZigBee的新型温室大棚控制系统》。

参考文献

[1] 谭浩强.C程序设计（第三版）.清华大学出版社.2005.第70页.

[2] 黄继昌.电子元器件应用手册.人民邮电出版社.2004.第158-170页.

[3] 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编.北京理工出版社.2004.第47页.

备注：国家级大学生创新训练项目名称 ：基于物联网的智能大棚控制系统，编号：201510427026。