引言
2002年9月份习近平总书记在七十五联合国大会上提出我国将推进碳达峰与碳中和。这代表我国将全面进行经济社会的绿色转型，在中央下达的关于做好碳达峰的工作意见中。明确提出中推动农业更加绿色与可持续发展；构建低碳安全高效的能源体系；大力推动太阳能等可再生能源发展；这是实现碳中和过程中必不可少的一环。本设计紧紧围绕绿色可持续发展这一概念，高效利于太阳能等可再生能源与物联网技术有机结合对传统蔬菜大棚的光电系统进行升级改造。按照该系统升级后智慧蔬菜大棚，可以实现针对大棚内种植的蔬菜种类；大棚外部环境的实时光照条件；大棚内部的温湿度等一系列环境条件，通过智慧大棚顶部的太阳能板对该智慧大棚的采光进行实时的自动调节。同时为了符合绿色可持续发展这一概念，该智慧蔬菜大棚将将安装发电系统、储能系统、自动补能系统等实现对大棚内所有的电气设备进行24小时不间断的电能供应。同时该系统也通过将智能农业传感器与微信小程序接入华为IOT平台完成对该系统的监控。
1智慧大棚系统整体设计
该智慧大棚最主要的部分就是安装在大棚顶部的太阳能发电板，其既是发电系统又可以通过改变太阳能板的位置该变大棚的采光。首先太阳能发电系统将产生的电能储存在蓄电池中，多余的电能通过双向电表并入国家电网，当冬天或者阴雨天气时，如果发电系统不能满足大棚电气设备用电将自动切换至电网供电。同时系统的所有工作过程全程被传感器捕捉，通过物联网模块将数据实时传输到华为IOT平台，通过平台将数据下发到微信小程序中，完成对系统的监控与控制。本设计力求让整体系统可以达到环保、稳定、经济，智能等特点。
2 大棚光电系统设计
2.1大棚外部光电系统设计
①外部光电系统整体设计
在本设计中太阳能电池板共有两方面用处，除提供能源外，太阳能电池板还要充当遮阳板。根据大棚内蔬菜对光照温度的要求，自动改变采光面积。有研究表明太阳能电池板采用棋盘格摆放方式就可以满足大棚的采光要求。在此基础上面为了既可以控制大棚内的采光，同时也为了增加太阳能发电板的数量增加大棚顶部的利用率。在原大棚顶部增加一层棋盘格太阳能发电板，与下部的太阳能发电板错落安装，当光照正常时顶部太阳能板与下部太阳能板重合保证大棚内的光照。随着光照的增强在电机的带动下上部安装在滑道中的太阳能板进行移动，使上部太阳能电池板与下部电池板错开。在对大棚进行遮光处理的同时也增加太阳能电池板的采光面积。
②太阳能电池板运动部分设计
将上部太阳能电池板连接到导轨的滑块，
每一个滑块是相互连接的，在滑块顶部安装有一跟齿条，通过下部安装的电机带动齿条进行左右运动，在运动过程带动太阳能电池板进行运动，便可以实现大棚的遮光处理。每排太阳能电池板为一组，每一组使用一个电机，每一组单独控制也可以控制开启距离。便可以智能调控每一部分的光照。
2.2大棚内部光电系统设计
因为该智慧大棚主要由太阳能电池板供能，白天储存在蓄电池里能源在夜间为大棚通过所需要的能源，与电网配合在保证大棚内的各个用电设备的同时消耗剩余在蓄电池当中的能源为蔬菜提供最适合生长的光源。在做到低碳环保的同时也可以达到最大的经济效益。通过近年来的研究光和作用时波长为460mm或660mm左右，以30mm为有效半径的波长区间最好。现在市场上提供也有专业的大棚补光灯，可以产生更加合理的红蓝光的配比与波长。但是值得注意的是植物已不能一直进行补光，要合理安排补光时间避免长时间补光对蔬菜照成伤害。其主要依靠大棚内布置的各种环境传感器。传感器将时实采集大棚内蔬菜的生长数据，控制系统将数据时刻同步到云端，方便管理者对大棚的光照环境进行调整。
3 控制与监控系统
3.1系统的整体设计
本设计选用已经很成熟的华为云物联网平台作为IoT平台。同时编写一个微信小程序作为上位机完成对大棚内所有设备的控制。使用小熊派开发板作为下位机。各个传感器数据通过下位机计算完成大棚内各项数据监控。该过程每个传感器收集到的数据由小熊派开发板计算并打包成数据包发送到华为云IOT平台，通过云平台的处理下发到微信小程序端。由微信小程序将各项数据反馈给用户。用户根据传感器采集到的蔬菜大棚的环境数据，根据数据设定合适的发命令到IOT平台。通过平台的处理在将命令反馈到小熊派开发板中，小熊派开发板产生相应的信号，控制相应的设备执行对应命令。
3.2传感器系统
（1）整体设计
蔬菜的生长与温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度等息息相关。所以传感器系统将重点监控大棚内的这几项数据。因为本项目主要针对大棚的光电系统进行的研究，所以将主要介绍大棚内外与光电相关的传感器。在蔬菜大棚内部将均匀分布光照传感器，时刻监控大棚内部的光照强度，同时在大棚内部由于光照植物将产生光合作用，将安装二氧化碳传感器监控大棚内部蔬菜的光合作用的程度，反馈到用户的小程序中。在白天时通过传感器为小程序提供的光照与二氧化碳数据。用户通过小程序控制太阳能电池板的左右运动来调节大棚内的光照强度。在夜晚通过二氧化碳传感器提供的蔬菜光合作用程度的数据来决定是否开启补光灯让蔬菜继续进行光合作用。在保证蔬菜拥有最多的光合作用时间的同时也不会伤害蔬菜。在大棚外部的光伏的逆变器上面安装数据采集器，监控光伏实时的功率、每天的发电度数、入网电量等。
（2）传感器的选择
光照传感器选用市场上面常用于蔬菜大棚的STD-GMCG-1型光照传感器。该传感器对光敏感在感知固定光源方面相较于其他光照传感器拥有更好的性能。同时也可进行数值与模拟量的输出与灵敏度调节。二氧化碳传感器采用的是千惠侬的定制GHHB-004-RS485二氧化碳传感器，该传感器使用RS485通信。可以与小熊派配合使用。
3.3 ESP8266 WiFi介绍
ESP8266 WiFi的工作环境温度范围较大，可以适用于鸡舍的温度范围，而且在环境的变化下能保持相对稳定的性能，该WiFi扩展板可以传递信号，可以把鸡舍内检测到的各种信号经过该扩展板传递到网络中，这种扩展板可以与Arduino单片机像堆积木一样叠放在一块，Arduino单片机的许多接口以及ESP8266 WiFi扩展版的一些接口都可以集成在这个扩展板上，可以利用AT指令进行操作，也可以利用Arduino ide环境配置ESP8266 WiFi。该WiFi扩展板有标准的数字外接接口以及射频接收器。由于它拥有优良的性能、简洁的操作而应用于各种操作场景，它也是一款专门为移动设施、互联网大数据集成和现在所普及的智能穿戴设备而设计。它具有省电模式更加适用于低消耗的场景，它有三种开发方式：1、使用AT指令进行开发，这是最简单的一种方式，无需编程，使用PC端的软件串口助手配合简单的指令就可以实现；2、配合单片机发送指令，使用Arduino开发环境编程，直接在Arduino ide的环境下添加ESP8266的配置后进行编程使用；3、使用LUA语言编程：这是一种单独使用ESP8266 WiFi编程的方式，可以不依靠单片机和串口调试软件，并且可以直接把程序烧录到8266内部，下次开机自动启动。
3.4 华为云介绍
该设计采用华为物联网平台作为上位机与下位机之间承上启下的中间部分。华为云的开发流程下图所示。平台侧开发是设备接入的前提条件。首先开发者要在华为云平台通过定义一个profile搭建设备的抽象模型，让平台可以明白该设备能支持的服务属性。可以传递相应的信息如光照强度、二氧化碳浓度、太阳能电池板电机控制命令等一系列命令与信息。在云平侧完成产品与设备创建之后再规则引擎设定相应规则后，平台侧开发基本完成。在设备侧完成接入鉴权与便可与平台进行连接。在应用侧首先应用服务器要通过订阅推送数据。在对数据进行验证后，变可以成功获取数据。
3.5 微信小程序介绍
（1）整体设计
小程序上线以来依靠微信强大的流量微信小程序在最近几年迅速在用户之间传播开来。迅速进入人们生活的方方面面。同时微信小程序相比传统软件其背靠微信为开发者提供了一个简单高效的开发框架，并提供了很多的开发组件以及很多的API。使开发简单使用高效。该智慧大棚在光电方面所涉及到的需要与用户交互的所有数据与功能都是通过微信小程序告知用户。大棚的小程序一共有控制、检测、我的三个页面。三个页面相互配合共同完成智慧大棚的所有功能。
（2）控制页面
控制页面一共有9个不同的开关，其也对应着不同的功能。第一个与最后一个了是到棚所有设备总开关。M1~M3分别控制着智慧大棚顶部的三个用于移动太阳能电池板的三个电机，它将控制顶部三排太阳能电池板位置，既是否对大棚进行遮光处理。L1~L3对应的是大棚内安装的补光灯，如果传感器检测到条件合适可以打开补光开关对大棚内蔬菜进行补光处理。当光合作用到达一定的程度可以打开换气让大棚内空气流通起来让蔬菜始终在舒适的生长状态。
（3）监控页面
监控页面一共分为上下两部分，上部分有两个方块。第一个方块时实显示大棚内传感器采集到的二氧化碳的浓度，同理第二个方块显示的是传感器采集到的光照强度。与云端相连实时采集随时使用。下面一部分设置两个可以设置阈值的能量条按钮。第一个代表要设置的二氧化碳浓度的阈值第二个代表的是光照强度的阈值。当传感器采集到的数据大于或等于所设置的浓度与强度阈值时。将触发在平台侧开发时我们设置的规则，云平台将发生反应将发送一个提醒短信到我们的手机，提醒我们对大棚环境进行改变。
（4）用户页面
用户页面如图1所示，图1是用户在应用侧与云平台对应的主要页面。实现用户要先授权微信登录该小程序。然后由开发者为用户提供连接华为云所需要的参数，是指开发者所使用的接入协议，华为物联网平台为开发者提供了很多种接入协议，每一种接入协议对应一个接入地址。本设计采用的MQTT接入协议在网站可查。
图1 用户页面
参考文献
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