摘要：為提高農業(yè)育種效率，提出了一種新型農業(yè)育種高精度恒溫恒濕系統(tǒng)設計方案?；贏RM微處理器LPC2124和嵌入式軟件開發(fā)技術設計了系統(tǒng)軟硬件，采用新型溫濕度傳感器SHT11實現(xiàn)了育種箱內環(huán)境溫度和濕度的監(jiān)測，采用雙向可控硅及固體繼電器實現(xiàn)了加熱和超聲霧化加濕電路的工作控制。測試結果表明，系統(tǒng)的測控精度高、功耗低，顯著提高了育種效率，具有較高的實用價值和應用推廣價值。

關鍵詞：農業(yè)育種；ARM微處理器；嵌入式系統(tǒng)；恒溫；恒濕

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3409-03

中國是農業(yè)大國，農業(yè)是中國的支柱產業(yè)也是國民經濟命脈，精準農業(yè)是當今農業(yè)的發(fā)展方向，農業(yè)自動化是當今農業(yè)工程的重要主題，在農業(yè)生產中育種作業(yè)是基礎和關鍵問題[1]。傳統(tǒng)的手工自然育種方式存在溫濕度控制效果差、發(fā)芽率低和育種周期長等缺點。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，恒溫育種箱的研究得到了廣泛關注[2]。然而，現(xiàn)有產品大都只關注了溫度控制，而種子生長環(huán)境的濕度控制完全通過依靠手工方式為育種介質澆水來實現(xiàn)，介質澆水量靠經驗調節(jié)，往往不易掌控，濕度小不利于種子發(fā)芽，而濕度大又容易引起爛種。

為實現(xiàn)育種作業(yè)的自動化和智能化，提高育種效率和發(fā)芽率，研究提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術的高精度恒溫恒濕控制系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)通過高精度數(shù)字溫濕度傳感器探測育種箱內環(huán)境參數(shù)，并通過執(zhí)行電路自動調節(jié)溫度和濕度，取得了很好的實用效果。

1 系統(tǒng)總體結構和工作原理

系統(tǒng)的總體結構如圖1所示，以嵌入式ARM微處理器為核心，主要包括當前溫度/濕度檢測模塊、鍵盤輸入功能模塊和液晶顯示功能電路、溫度/濕度調節(jié)功能模塊以及電壓、晶振和復位等外圍支持電路等功能模塊。工作過程中，系統(tǒng)可通過鍵盤輸入功能模塊接收用戶的溫度設定值和濕度設定值，通過當前溫度檢測電路和濕度檢測電路探測育種箱內種子的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)測量值與設定值的差分情況確定是否啟動溫度調節(jié)電路和濕度調節(jié)電路。電壓、晶振和復位等外圍支持電路則為系統(tǒng)的正常工作提供了支持。

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件以嵌入式ARM微處理器LPC2124為核心，設計包括當前溫度/濕度檢測電路、鍵盤輸入和顯示輸出電路、溫度/濕度調節(jié)電路以及電壓、晶振和復位等外圍支持電路的設計等。其中，外圍支持電路的設計可參考文獻[3]。下面分兩部分介紹其他電路模塊的設計方法。

2.1 溫濕度檢測及I/O電路設計

當前溫濕度檢測電路、I/O電路（即鍵盤輸入和顯示輸出電路）的設計如圖2所示。溫濕度檢測電路基于瑞士Sensirion公司最新推出的溫濕度傳感器SHT11設計實現(xiàn)。SHT11[4]是具有I2C總線接口的單片全校準數(shù)字式相對濕度和溫度傳感器，采用獨特的CMOSensTM技術，具有數(shù)字式輸出、免外圍電路及全互換的特點。設計中SHT11占用LPC2124的I2C總線接口，通過SDA和SCL引腳完成通信連接。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，在SDA上配備了上拉電阻R6。I/O電路設計包含鍵盤輸入電路、液晶顯示電路和LED燈指示電路三部分。圖2中S1、S2用于參數(shù)值的增減輸入以及功能菜單的選擇，處理器引腳平時為高電平狀態(tài)，當按鍵按下時引腳與地直通，電壓VCC由電阻R4/R5承擔，引腳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)；液晶顯示電路基于LCD1602實現(xiàn)，可向用戶實時顯示溫度、濕度等數(shù)據(jù)情況；LED1、LED2和LED3分別用于指示系統(tǒng)電源、溫度調節(jié)工作狀態(tài)和濕度調節(jié)工作狀態(tài)。

嵌入式ARM微處理器LPC2124的選用有效保證了系統(tǒng)的性能。該處理器具有如下主要性能特征：①內部集成了一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有256 kB高速Flash存儲器；②128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行；③采用超小LQFP64封裝，功耗極低；④通過片內Boot裝載程序實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用編程（IAP）；⑤Embedded ICE可實現(xiàn)斷點和觀察點，當使用片內RealMonitor軟件對前臺任務進行調試時，中斷服務程序可繼續(xù)運行；⑥具有多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、高速I2C接口（400 kHz）和2個SPI接口等資源。

2.2 溫濕度調節(jié)電路設計

溫濕度調節(jié)電路如圖3所示。LPC2124通過GPIO引腳P1.9控制溫度調節(jié)電路。考慮系統(tǒng)安全性，在控制線上采用了雙向可控硅MOC3021[5]隔離弱電主控系統(tǒng)和強電被控系統(tǒng)。為增強GPIO驅動能力，在控制線上使用了74LS06的一路非門。當P1.9輸出高電平時，MOC3021的內置發(fā)光二級管處于正偏導通狀態(tài)，MOC3021的輸入端有電流輸入，輸出端雙向可控硅導通進而觸發(fā)KS導通，電熱絲通電工作；P1.9輸出低電平時，電熱絲停止工作。其中R14和C5共同構成雙向可控硅KS的阻容保護電路。濕度調節(jié)電路的控制通過P1.8引腳實現(xiàn)，采用晶體管驅動繼電器方式控制超聲霧化加濕裝置[6]的啟停。晶體管9013用于為繼電器提供工作電流。晶體管輸出型光電耦合器TLP521-1[7]用于隔離保護。續(xù)流二極管IN4001與繼電器并聯(lián)，用于保護接口電路，截止時釋放繼電器線圈能量，避免驅動器件被反向擊穿。

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植和恒溫恒濕控制程序的開發(fā)兩大部分。操作系統(tǒng)選用了源代碼完全公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II，恒溫恒濕控制程序基于嵌入式C語言編寫實現(xiàn)。

3.1 操作系統(tǒng)的移植

μC/OS-II是一種專為嵌入式應用設計的可移植、可裁剪、搶占式的實時多任務操作系統(tǒng)內核。其絕大部分代碼基于C語言編寫，只有與CPU硬件相關的部分用匯編語言編寫，以便移植到任何一種CPU上。為了能使μC/OS-II在本系統(tǒng)的核心處理器LPC2124上運行，設計中進行了操作系統(tǒng)的移植。研究分析了LPC2124的自身特性，它完全支持μC/OS-II的移植。移植工作主要集中在如下方面：①編寫了LPC2124的啟動代碼，實現(xiàn)程序入口指針的定義和中斷向量的設置，并初始化各模式下的堆棧和寄存器[8]；②修改了與處理器相關的代碼部分，主要包括文件“OS_cpu.h”、“includes.h”、“OS_cpu_a.s”和“OS_cpu_a.c”。在“OS_cpu.h”中定義了與處理器相關的常數(shù)和宏[9]，移植時主要修改與編譯器相關的數(shù)據(jù)類型的設定以及系統(tǒng)宏開關中斷等；文件“OS_cpu_a.c”的移植主要包括任務堆棧初始化和相應函數(shù)的實現(xiàn)；文件“OS_cpu_a.s”的移植涉及對處理器的寄存器操作。

3.2 恒溫恒濕控制程序的設計

3.2.1 恒溫恒濕控制程序的設計流程 恒溫恒濕控制程序基于嵌入式C語言編程實現(xiàn)，其程序流程如圖4所示。完成系統(tǒng)初始化后，程序通過定時查詢方式循環(huán)探測育種箱內環(huán)境的溫度和濕度，并監(jiān)測鍵盤模塊有無數(shù)據(jù)輸入。然后根據(jù)探測值和設定值綜合判斷是否需要啟動溫度或濕度調節(jié)電路來改變箱內溫度或濕度，程序中采用了PID控制方式進行溫度、濕度調節(jié)電路的控制。值得指出的是，程序對由傳感器SHT11得到的數(shù)字式溫濕度數(shù)據(jù)進行轉換得到真實值。

3.2.2 溫度轉換程序的設計 SHT11內置的溫度傳感器具有很好的線性特征，真實溫度值可通過下式算法轉換得到：T=d1+d2×SOT，式中，SOT為SHT11的數(shù)字式溫度數(shù)據(jù)，d1、d2為溫度轉換系數(shù)，取值參見文獻[10]。

3.2.3 濕度轉換程序的設計 由SHT11讀取的數(shù)字式相對濕度數(shù)據(jù)需經線性補償和溫度補償才能得到準確值。線性補償程序按下式編寫：RHl=C1+C2×SORH+C3×SORH2，式中，RHl為線性補償后的濕度值；SORH為相對濕度測量值；C1、C2、C3為線性補償系數(shù)，分別取值為-2.046 8、0.036 7和-1.595 5×10-6。然后，按下式進行濕度信號的溫度補償：RHt=（T-25）×（t1+t2×SORH）+RHl，式中，RHt為補償后的真實濕度值；T為測量濕度時刻的溫度；t1、t2為溫度補償系數(shù)，分別取值為0.01和0.000 08。

4 應用分析

該系統(tǒng)的樣機已經成功應用在了河南省唐山市農業(yè)示范園區(qū)的育種作業(yè)中，在不同時段的多次育種任務中，系統(tǒng)表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。截至目前，共進行了15批次的育種作業(yè)，這些作業(yè)涵蓋了不同作物種類、不同育種介質等情況。為測試系統(tǒng)性能，在各次作業(yè)中均將種子平均分為兩部分，分別使用本系統(tǒng)和傳統(tǒng)育種箱育種，其他條件完全相同。將各次對比數(shù)據(jù)進行了記錄和統(tǒng)計分析，結果表明，采用本系統(tǒng)的育種效率較傳統(tǒng)育種平均提高了26.3%，由此可見系統(tǒng)的實用價值。

5 結論

育種作業(yè)是農業(yè)生產的基礎和關鍵，針對傳統(tǒng)的手工自然育種方式以及現(xiàn)有的恒溫育種箱的缺點，設計了一種基于嵌入式ARM微處理器的高精度恒溫恒濕控制系統(tǒng)?；贚PC2124、數(shù)字溫濕度傳感器及執(zhí)行部件設計了系統(tǒng)硬件；基于源代碼完全公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II和嵌入式C語言編程技術設計了系統(tǒng)軟件。試用情況表明，該系統(tǒng)能夠很好地解決傳統(tǒng)育種的不足；系統(tǒng)實用性很強、應用和推廣價值較高。

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