衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 黃萌

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對于蔬菜、花卉等的需求越來越大，并且要求越來越高，這就要求有一種場所，它不僅可以改變植物生長環(huán)境，而且還能為植物的生長創(chuàng)造最佳的條件，避免外界的四季變化和惡劣氣候?qū)κ卟?、花卉等的影響，這就是溫室。溫室生產(chǎn)的目的是調(diào)節(jié)生產(chǎn)周期，促進植物的生長發(fā)育，防治病蟲害以及提高產(chǎn)量、質(zhì)量等。但溫室是一個多變量、多耦合、非線性、大滯后的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，因此需要建立一個有預(yù)見性、及時的控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，以提供最為合適的農(nóng)作物生長環(huán)境。溫室的控制系統(tǒng)不僅要及時調(diào)節(jié)溫室環(huán)境下的溫濕度、光照、CO2等環(huán)境因子，還要注意防治封閉環(huán)境下溫室的病蟲害。由于很多管理者不重視“預(yù)防為主，綜合防治”的植保方針，只迷信農(nóng)藥，導(dǎo)致室外傾入的白粉虱、蚜蟲、美洲斑潛蠅等害蟲在溫室中的侵害日趨嚴(yán)重，影響到農(nóng)作物的健康成長，也不符合有機農(nóng)產(chǎn)品的發(fā)展方向。

目前國內(nèi)一般的農(nóng)業(yè)承包者都是自己搭建比較簡單的大棚，構(gòu)造簡單，幾乎沒有實現(xiàn)智能化，不具備及時并良好地調(diào)整棚內(nèi)外環(huán)境的功能，離真正意義上的智能化有著很大的距離。而市場上提供的控制器功能單一，諸如：控溫器、控濕器等等，也有提供溫室智能控制系統(tǒng)[2-6]，但都是面對大型企業(yè)的，產(chǎn)品價格昂貴，對于大多數(shù)農(nóng)民而言是負(fù)擔(dān)不起的。設(shè)計一款多功能簡易的溫室控制系統(tǒng)就顯得尤為重要，它不僅可以提高農(nóng)作物的質(zhì)量、產(chǎn)量和效益，而且還能深化溫室大棚的智能化控制技術(shù)以及推廣溫室大棚智能化的應(yīng)用。

本文設(shè)計了一種基于STM 32多功能的智能溫室控制系統(tǒng)，以溫度、濕度、光照、CO2作為環(huán)境因子，通過各類傳感器對環(huán)境因子的監(jiān)測，根據(jù)農(nóng)作物不同以及對應(yīng)的常見害蟲的活動特性（活動時間及趨光波長）可設(shè)置環(huán)境參數(shù)值，通過實時監(jiān)測環(huán)境信息和其變化規(guī)律，及時控制溫室內(nèi)的供水系統(tǒng)、濕度系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、CO2產(chǎn)生器和多頻譜殺蟲燈，從而實現(xiàn)集殺蟲和智能溫室為一體的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本控制系統(tǒng)利用溫室殺蟲燈的分布放置，設(shè)計一個殺蟲燈和單體溫室控制分站為一體的控制系統(tǒng)，既可以實時監(jiān)測和調(diào)控溫室內(nèi)不同位置的空氣溫度、空氣濕度和光照強度等環(huán)境因子以及控制殺蟲燈燈組頻譜和高壓電網(wǎng)的開關(guān)，還能通過CAN to USB模塊將各個單體溫室集中鏈接，實現(xiàn)上位機連棟管理。

對于溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)，根據(jù)各種傳感器測到的環(huán)境參數(shù)與專家數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)進行對比，看是否符合參數(shù)的上下限值范圍內(nèi)，對于超限的參數(shù)做出相應(yīng)的決策，控制相應(yīng)的設(shè)備以及相關(guān)設(shè)備的動作，同時產(chǎn)生報警提示。系統(tǒng)中的微控制器則根據(jù)用戶設(shè)置，通過決策產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯，關(guān)聯(lián)相關(guān)設(shè)備。相關(guān)的設(shè)備主要有加溫設(shè)備、降溫設(shè)備、加濕設(shè)備、除濕設(shè)備、遮陽設(shè)備、CO2產(chǎn)生器。

對于殺蟲燈的調(diào)節(jié)，根據(jù)各種傳感器測到的環(huán)境參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)進行對比，區(qū)分白晝、天氣和季節(jié)的不同，從而控制殺蟲燈組和高壓電網(wǎng)的開關(guān)。同時根據(jù)溫室環(huán)境下所種植的農(nóng)作物不同，對應(yīng)害蟲的視敏曲線也不同，人工可以設(shè)置由多種波長LED燈所組成的燈組的頻閃波長和頻率，從而提高害蟲的捕殺率。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用基于ARM Coretex-M 3內(nèi)核的STM 32系列單片機。它有高速的數(shù)據(jù)處理能力且芯片內(nèi)部集成豐富的外設(shè)接口資源，利于外部功能的擴展。系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示，包括傳感器電路、LED殺蟲燈組和高壓電網(wǎng)電路、微控制器、I/O輸出模塊、電源模塊、人機交互模塊、報警電路、CAN總線接口設(shè)計和USB接口設(shè)計。

2.1 傳感器的選擇

本系統(tǒng)需實時采集溫室的環(huán)境參數(shù)，需選用合適的傳感器。溫度傳感器采用DS18B20，其具有體積小、適用電壓寬、性價比高、一線總線的特點。濕度傳感器采用HIH-4000，由于傳感器需長期暴露在外，該型號的多層結(jié)構(gòu)可防止潮濕、灰塵、污垢、油類和常見化學(xué)品的侵蝕。光照傳感器采用ROHM公司的BH1750FVI，其有著較寬的照度范圍，能檢測出暗處到室外的光照變化。CO2傳感器采用COZIR，其具有超低功耗、高性能、可選量程的特點，適用于農(nóng)業(yè)大棚。

2.2 LED殺蟲燈組及高壓電網(wǎng)

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

溫室環(huán)境下種植的農(nóng)作物除了需要合適的生長環(huán)境，還要減少害蟲的侵害。殺蟲燈模塊屬于本系統(tǒng)的重要組成部分。為了提高殺蟲燈的適用范圍，殺蟲燈的光源可采用寬光譜的LED光源陣列，由黃、綠、藍(lán)、白色4種不同顏色LED所組成的陣列，每種顏色1行，每行5個為一組，4種顏色的LED通過并聯(lián)組成4組陣列。在光源外設(shè)有高壓電網(wǎng)，可在害蟲受光源引誘飛來時將其捕殺[2]。LED光源陣列和高壓電網(wǎng)的開關(guān)可根據(jù)光照強度或是時鐘電路來設(shè)定，當(dāng)光強降低到一定程度則開啟LED燈組和高壓電網(wǎng)的開關(guān)，啟動殺蟲模式。光源陣列光譜的選擇則可通過STM 32人為設(shè)定。同時殺蟲燈光譜及開關(guān)時間信息可通過數(shù)據(jù)存儲模塊和總線上傳至上位機，提供數(shù)據(jù)給管理者參考。

2.3 微控制器STM32

微控制器是本控制系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)本控制系統(tǒng)智能化、多功能化的關(guān)鍵。管理者可以通過STM 32外接的人機互動設(shè)備鍵盤電路，實時設(shè)定農(nóng)作物適應(yīng)的生長環(huán)境參數(shù)：溫度、濕度、光照和CO2濃度以及白晝、晴雨天氣下溫濕度、光照的數(shù)值范圍和殺蟲燈燈組頻閃波長和頻率。而傳感器電路中各類傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)也會反饋給STM 32，將其進行對比，如若數(shù)值不一致時，處理機會自動控制執(zhí)行機構(gòu)做出相應(yīng)的動作：溫度或CO2濃度變化可通過周壁風(fēng)機的開關(guān)及所開的數(shù)量或是CO2產(chǎn)生器來調(diào)節(jié)；濕度變化可由加濕器及頂部風(fēng)機的開關(guān)來調(diào)節(jié)；亮度變化可由LED燈組中的白光來控制，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時，可開啟手動模式，直接操作鍵盤電路控制機構(gòu)動作。STM 32處理機通過RS232串口將采集的環(huán)境參數(shù)傳送給PC機，通過軟件將采集的數(shù)據(jù)以界面的形式顯示出來。同時也可以利用PC機進行溫室參數(shù)的實時設(shè)置，并將此信息傳遞給STM32處理機從而控制執(zhí)行機構(gòu)以達到目標(biāo)要求，利用此原理來實現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。

2.4 輔助模塊

本系統(tǒng)的輔助模塊也是必不可少的部分：主要包括：I/O輸出模塊、電源模塊、人機交互模塊、報警電路。I/O輸出模塊包括鍵盤輸入電路和液晶顯示電路，實現(xiàn)人機交互，管理者可將各類設(shè)定值通過該模塊輸入至微控制器。電源模塊主要由2部分組成，一是為傳感器電路、CAN總線、輔助模塊供電；二是為單片機、LED光源陣列、高壓電網(wǎng)供電。報警電路由蜂鳴器完成，當(dāng)某一環(huán)境參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍或是設(shè)備出現(xiàn)故障時，判斷系統(tǒng)會開啟報警功能提醒管理者注意。

2.5 通信接口

本系統(tǒng)采用了CAN to USB模塊，通過CAN總線將各個單體溫室連棟管理，同時使用USB通信實現(xiàn)了與上位機（PC機）的鏈接，提供了單體溫室控制器與上位機之間數(shù)據(jù)/指令的傳輸平臺。

2.6 執(zhí)行機構(gòu)

本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是指對風(fēng)機、天窗/側(cè)窗、加濕/除濕、遮陽網(wǎng)、CO2產(chǎn)生器、LED陣列光源中的白光的電機運行和停止的控制。通過輸入信號的變化使繼電器起合，從而對控制電路進行接通或者斷開，實現(xiàn)電器的自動控制和電力裝置的保護。

3 軟件設(shè)計

在一個系統(tǒng)中，其設(shè)計必然包括硬件和軟件設(shè)計，軟件設(shè)計可以使硬件發(fā)揮出相應(yīng)的功能。本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括單體溫室控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計、殺蟲燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計、CAN to USB模塊的軟件設(shè)計和上位機（PC機）管理軟件的設(shè)計。單體溫室控制系統(tǒng)和殺蟲燈控制系統(tǒng)的軟件是處于溫室內(nèi)以STM 32F107單片機為核心的智能控制器程序，主要實現(xiàn)現(xiàn)場溫室實時監(jiān)控功能和殺蟲燈LED燈組、高壓電網(wǎng)的控制。CAN to USB模塊的軟件主要是CAN總線通信協(xié)議及USB總線協(xié)議，實現(xiàn)單體溫室與CAN to USB模塊的通信以及CAN toUSB與上位機平臺的通信。上位機管理軟件的設(shè)計主要是對溫室控制系統(tǒng)進行連棟管理，重點在對單體溫室的協(xié)調(diào)管理。單體溫室和殺蟲燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是系統(tǒng)最主要的部分，大部分的功能都是通過此來實現(xiàn)。

3.1 主程序

其主程序的流程圖見圖2：按下啟動按鈕后，系統(tǒng)進行掃描故障，根據(jù)用戶設(shè)置選擇遠(yuǎn)程自動模式或是現(xiàn)場手動模式，讀取傳感器電路采集到的數(shù)據(jù)，通過比較結(jié)果進行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的動作。

圖2 主程序流程圖

圖3 子程序流程圖

3.2 溫濕度、光照、CO2子程序

當(dāng)遠(yuǎn)程自動控制時，單片機每10m in讀取各類傳感器的實測值并與設(shè)定值進行比較。如果實測值溫度T小于設(shè)定溫度的最小值Tmin則關(guān)閉風(fēng)機和遮陽網(wǎng)，如果實測值溫度T大于設(shè)定溫度的最大值Tmax則開啟風(fēng)機和遮陽網(wǎng)。如果濕度實測值H小于設(shè)定濕度的最小值Hmin則打開加濕設(shè)備，關(guān)閉除濕設(shè)備，如果濕度實測值H大于設(shè)定濕度的最大值Hmax則打開除濕設(shè)備，關(guān)閉加濕設(shè)備。如果實測值的光照L小于設(shè)定白天光照的最小值L1，則開啟殺蟲模式，相反如果實測值光照L大于設(shè)定黑夜光照的最大值L2，則關(guān)閉殺蟲模式。如果CO2濃度實測值C大于設(shè)定的最大值Cmax，則開啟風(fēng)機并關(guān)閉CO2產(chǎn)生器，如果實測值C小于設(shè)定的最小值Cmin，則關(guān)閉風(fēng)機開啟CO2產(chǎn)生器。溫濕度、光照、CO2子程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)，將智能殺蟲與智能溫室合為一體，針對分布式溫室設(shè)計，采用CAN to USB模塊實現(xiàn)了單體溫室與上位機的連棟管理。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功耗低、成本低，實用性強，功能多樣化，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能溫室的發(fā)展方向，為農(nóng)作物提供了更為合適的生長環(huán)境，從而提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。同時人機交互智能化的控制也減輕了農(nóng)民的勞動強度，提高了管理效率。

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