吳國娟+張潤久+高默雷+劉秀+劉佳文

摘 要：敘述了陽臺植株養(yǎng)護(hù)機(jī)的設(shè)計和實現(xiàn)過程。對陽臺農(nóng)業(yè)的適應(yīng)性進(jìn)行了探討，設(shè)計了針對陽臺農(nóng)業(yè)適用的養(yǎng)護(hù)設(shè)備。養(yǎng)護(hù)設(shè)備在完成基本的數(shù)據(jù)采集和控制后，還兼顧了遠(yuǎn)程控制和娛樂性需求。

關(guān)鍵詞：陽臺農(nóng)業(yè)；植株；養(yǎng)護(hù)；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程控制；GPRS

中圖分類號：S688 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.01.026

Design and Implementation of Plant Conservation Balcony Control System

WU Guo-juan1， ZHANG Run-jiu1， GAO Mo-lei1， LIU Xiu1， LIU Jia-wen2

（1.Tianjin Aimin Network Technology Company Limited， Tianjin 300090，China；2.Department of Horticulture，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China）

Abstract： This paper described the design and implementation process balcony plant conservation machines. Adaptability balcony agriculture were discussed， designed for the balcony applicable conservation agriculture equipment. After completing basic maintenance equipment data acquisition and control， but also take into account the remote control and entertainment needs.

Key words： balcony agriculture；plants；conservation；data collection；remote control；GPRS

收稿日期：2013-11-25；修訂日期：2013-11-29

作者簡介：吳國娟（1977—），女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾盟人，本科，主要從事物聯(lián)網(wǎng)自動化控制應(yīng)用方面的研究。

陽臺農(nóng)業(yè)滿足了個人化的種植需求，市場前景廣闊，為此，我們設(shè)計了專門植株養(yǎng)護(hù)設(shè)備。該設(shè)備放置在陽臺上，能夠滿足多種植株的生長環(huán)境需求，并根據(jù)養(yǎng)護(hù)機(jī)所在環(huán)境中的溫度、濕度、光照數(shù)據(jù)控制相應(yīng)的設(shè)備保持植株在適宜的環(huán)境中生長。遠(yuǎn)程控制解決了不同植株對環(huán)境的要求的差別，并允許用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，滿足用戶的娛樂性需求。養(yǎng)護(hù)機(jī)需要長期連續(xù)運(yùn)行，并且需要接觸水源、電源，還有可能處于長時間無人值守的狀態(tài)，因此也必須具備一定的防護(hù)能力。

1 總體設(shè)計

養(yǎng)護(hù)機(jī)從設(shè)計之初就堅持實用、可靠、節(jié)能的設(shè)計理念。養(yǎng)護(hù)機(jī)需要能夠采集包括溫度、濕度、光照在內(nèi)的生長環(huán)境信息，并根據(jù)這些信息控制相應(yīng)的補(bǔ)水、補(bǔ)液、排風(fēng)設(shè)備，改變生長環(huán)境，使植株能夠在適宜的條件下生長。養(yǎng)護(hù)機(jī)栽培的植物種類繁多，需要根據(jù)具體情況分別處理，并且用戶能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，為此，需要設(shè)計遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，還要設(shè)計相關(guān)的網(wǎng)頁和手機(jī)客戶端供用戶遠(yuǎn)程控制。對于大功率的控制設(shè)備，不要求連續(xù)運(yùn)行時間過長，盡量采用低功耗、具備休眠功能的器件，不工作時降低系統(tǒng)整體耗電量。與工業(yè)控制系統(tǒng)相比，養(yǎng)護(hù)機(jī)在保證性能的同時，更多的要考慮到成本，在性能、可靠性和成本之間找到平衡點，這是本設(shè)計主要考慮的問題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

養(yǎng)護(hù)機(jī)控制系統(tǒng)按照功能分為采集、控制、傳輸、電源四個模塊。采集模塊包括對溫度、濕度、光照的采集；控制模塊包括對水箱、排風(fēng)、霧化、生長燈的控制；傳輸模塊使用GPRS與服務(wù)器進(jìn)行通訊；電源模塊給各模塊供電。單片機(jī)采用5 V電源，具備一定的抗干擾能力。

電源系統(tǒng)在各模塊不工作的前提下，消耗功率不大于3 W。即使如此，考慮到控制模塊的短時間耗電量比較大，依舊沒有采用電池供電的方法。首先，現(xiàn)有常規(guī)的堿性電池和鋰電池都不具備長時間無人值守的情況下連續(xù)工作的能力，免維護(hù)的鉛酸電池重量較大也不便使用。另外，也會增加用戶的使用成本和維護(hù)量，這些都會給用戶帶來不便。最后，電池剩余電量檢測比較困難，并且結(jié)果也不夠準(zhǔn)確，實際使用中因無法進(jìn)行遠(yuǎn)程連接誤認(rèn)為是斷電也是比較合理的解釋。為此，在本設(shè)計中，采用交流220 V供電，首先可以長期連續(xù)供電，其次也不用考慮電壓的變化，唯一需要的是進(jìn)行過流保護(hù)。本設(shè)計中采用了自恢復(fù)保險解決了電源安全性的問題。使用多繞組的R型變壓器可以輸出多種電壓，提高了對負(fù)載的適應(yīng)能力。

控制電路與水源和土壤接近，在設(shè)計中充分考慮了防潮、防水、防腐蝕和漏電的問題。

3 數(shù)據(jù)采集

空氣的溫度、濕度采集已經(jīng)相當(dāng)成熟。初期采用DS18B20和HS1101構(gòu)成了溫濕度采集系統(tǒng)，目前采用DHT11溫濕度傳感器也得到很好的效果。

土壤濕度檢測比較困難。盡管經(jīng)過了多次實驗，性價比合適的器件仍然沒有找到。目前的土壤濕度傳感器準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性都無法保證，通過補(bǔ)水時間大致估計土壤濕度的方法仍然比較現(xiàn)實。

水箱液位采集最終采用了超聲波測距的方法。開始采用水導(dǎo)電特性的液面位置檢測由于檢測電極非常容易被腐蝕而放棄，其后采用的光電傳感器的方法也被證明不夠?qū)嵱?。超聲測距的方法需要進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償，并且測量的距離太近也會導(dǎo)致誤差的增加。

4 控制機(jī)構(gòu)

目前，全部設(shè)備的控制信號都由單片機(jī)IO管腳輸出。全部的控制電路都使用光耦器件實現(xiàn)了光電隔離。直流驅(qū)動采用IRF530VMOS器件，可以滿足50 W以下設(shè)備（如生長燈、直流水泵）的控制需求。繼電器控制220 V交流供電設(shè)備（如霧化、交流水泵）。實踐表明，采用繼電器控制比可控硅控制在小功率場合下具備更高的可靠性?？刂菩盘柲壳皼]有閉環(huán)反饋信號，因此程序設(shè)計中包括了時間上限的控制，即使GPRS接收到的指令超出上限也仍然按照上限時間關(guān)閉設(shè)備。

光照的功率消耗最小，一般不超過10 W，工作時間最長，一般也不超過4 h。補(bǔ)水、補(bǔ)液目前采用25 W直流或15 W交流供電，最長工作時間不超過5 min。霧化、排風(fēng)控制按用戶或服務(wù)器指令控制，一般不超過20 min。

5 遠(yuǎn)程通訊

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)初期采用Sim300 GPRS模塊，目前采用Sim900A GPRS模塊，二者都存在管腳數(shù)量多、不易焊接的問題。Sim900A模塊運(yùn)行相對穩(wěn)定，具有低功耗模式，模塊中已經(jīng)內(nèi)置TCP協(xié)議棧，方便與服務(wù)器進(jìn)行TCP通訊。Sim900A模塊還使用串口方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊。Sim900A模塊為4.2 V供電，并且需要專門的外圍穩(wěn)壓電路才能滿足瞬時大電流穩(wěn)定工作的需要。

根據(jù)客戶機(jī)/服務(wù)器體系的要求，養(yǎng)護(hù)機(jī)被作為客戶機(jī)使用，定時與服務(wù)器連接，并上傳數(shù)據(jù)采集的狀態(tài)，接收并完成服務(wù)器發(fā)出的指令。在數(shù)據(jù)收發(fā)的過程中，客戶端具有主動性，即在客戶端沒有與服務(wù)器連接的情況下，服務(wù)器無法找到客戶端，為此，采用了服務(wù)器端也安裝Sim900A模塊，在需要時對客戶端撥號呼叫的方法。在本設(shè)計中，不要求客戶端全天候?qū)崟r傳輸，而是采用了客戶端間歇與服務(wù)器進(jìn)行TCP連接的方法，首先降低了服務(wù)器端的系統(tǒng)負(fù)載，同時也節(jié)省了數(shù)據(jù)流量。

流量控制。最終GPRS流量限制在1 MB/d，采集的數(shù)據(jù)20 s更新一次，控制指令隨時下達(dá)，既滿足了用戶的實時性需求，也盡可能降低了流量成本的支出。

6 結(jié)束語

通過近兩年的實際使用，系統(tǒng)已經(jīng)日趨成熟，可以長期穩(wěn)定工作，客戶反映良好。兩年的實際運(yùn)行也感覺到陽臺農(nóng)業(yè)仍然需要以定制為主，因此，控制系統(tǒng)需要有更大的靈活性和伸縮性，盡量減少不必要的成本增加。控制電路經(jīng)過多次修改，逐步形成了各子系統(tǒng)的模塊化。單片機(jī)、GPRS模塊與控制電路分開，電路板尺寸相對固定。形成了4路和8路控制的體系，并可以串行連接，通過這些組合，能夠盡快滿足最終的控制需求。

縱觀陽臺農(nóng)業(yè)的發(fā)展，控制系統(tǒng)可做的事情仍然很多。在小環(huán)境的溫度、濕度、光照可控的情況下，根據(jù)用戶定制的需求，盡快組合出滿足條件的系統(tǒng)和環(huán)境，通過進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善，滿足用戶更多的娛樂性、適用性需求。

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