田彥彥

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 451100)

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植物生長(zhǎng)柜控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

田彥彥

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 451100)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于LED光源的植物生長(zhǎng)模擬環(huán)境系統(tǒng).該植物生長(zhǎng)柜控制系統(tǒng)主要由觸摸界面操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，兩者之間通過(guò)RS485模塊進(jìn)行通訊.控制系統(tǒng)以ATmega128L單片機(jī)為主控核心，界面操作系統(tǒng)采用Cortex_M3為內(nèi)核的32位處理器STM32F103VC，并配置7寸TFT觸摸屏，利用μC/GUI編寫(xiě)簡(jiǎn)單的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控植物生長(zhǎng)柜內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并且通過(guò)設(shè)定各種參數(shù)以模擬出植物的多種生態(tài)環(huán)境，有利于個(gè)性化地培養(yǎng)各種植物.

關(guān)鍵詞：植物生長(zhǎng)柜；ATmega128L；傳感器；LED光源

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，人們開(kāi)始有了對(duì)安全無(wú)公害蔬菜的需求和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體驗(yàn)的向往，“家庭植物工廠”概念應(yīng)運(yùn)而生[1].本文依據(jù)目前植物工廠的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種適合在家庭領(lǐng)域應(yīng)用的小型植物工廠——植物生長(zhǎng)柜.植物生長(zhǎng)柜可以對(duì)植物生長(zhǎng)所需的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)定、調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制.該生長(zhǎng)箱設(shè)置有植物培養(yǎng)系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，能夠模擬出適合植物生長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境，從而創(chuàng)造出家庭植物工廠.該植物生長(zhǎng)柜既可以滿足高性價(jià)比的需要，又可以滿足日常生活的需要，進(jìn)而提高了人們的生活水平.

1植物生長(zhǎng)柜的組成及設(shè)計(jì)方案

1.1植物生長(zhǎng)柜的組成

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

針對(duì)植物柜生長(zhǎng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，分模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟硬件.控制系統(tǒng)運(yùn)用RS485[2]通訊技術(shù)使AVR單片機(jī)和Cortex_M3為內(nèi)核的32位處理器STM32F103VC處理器進(jìn)行通訊，AVR單片機(jī)對(duì)植物生長(zhǎng)所需的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)的植物生長(zhǎng)不受自然條件的制約.STM32F103VC處理器作為上位機(jī)調(diào)節(jié)和設(shè)定光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

1.2植物生長(zhǎng)柜設(shè)計(jì)原理

植物生長(zhǎng)柜主要由觸摸彩屏和32位處理器STM32F103VC組成的上位機(jī)和由單片機(jī)、溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、LED和水泵等組成的下位機(jī)兩部分組成，兩者之間通過(guò)MAX485模塊進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)柜為植物生長(zhǎng)提供所需的最佳溫度、濕度、光照度和二氧化碳含量等必需生長(zhǎng)條件.

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1電源模塊

本系統(tǒng)的電源共有AC220V、DC24V、DC6V和DC5V四種，輸入為AC220V.首先通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換為DC24V給水泵和LED供電，再經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576轉(zhuǎn)換為DC5V供給單片機(jī)和其他附件.LM2576可以提供3A的輸出電流，具體電源電路如圖2所示.

圖2　LM+2576系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路

2.2LED光源模塊

LED光源模塊采用中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所設(shè)計(jì)的LED光源板[2].該LED光源板由多個(gè)強(qiáng)光型的紅光和藍(lán)光LED組成，且以混合方式配置，所產(chǎn)生的紅光波長(zhǎng)范圍為600～700nm，藍(lán)光波長(zhǎng)范圍為400～500nm，滿足植物光合作用所需的光照條件.此外，該光源板可以通過(guò)串口對(duì)紅、藍(lán)光的光強(qiáng)進(jìn)行控制，以便滿足不同植物對(duì)光照的需求.

對(duì)于責(zé)任的兩種不同含義的解讀，尤其是對(duì)實(shí)質(zhì)責(zé)任的強(qiáng)調(diào)，表明約納斯實(shí)際上擴(kuò)展了一般意義上的責(zé)任觀。在比較了形式責(zé)任與實(shí)質(zhì)責(zé)任之后，約納斯指出，技術(shù)時(shí)代的道德事實(shí)，需要的正是這種實(shí)質(zhì)責(zé)任和責(zé)任感，而非每一行動(dòng)者對(duì)其行為負(fù)責(zé)的空洞的形式責(zé)任。[34]在這個(gè)意義上，約納斯區(qū)分的實(shí)質(zhì)責(zé)任正是“未來(lái)責(zé)任”。

2.3界面操作系統(tǒng)

界面操作系統(tǒng)采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位處理器STM32F103VC.該處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，具有高性能、低功耗、成本低等優(yōu)勢(shì).它的工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)SRAM)；具有豐富的增強(qiáng)I/O接口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)；包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN[3].

2.4傳感器模塊

為了給出不同時(shí)期植物生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)境參數(shù)，并生成合理的控制方案，該系統(tǒng)配置有溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器等，可以對(duì)溫度、濕度、CO2濃度進(jìn)行采集，以便與植物生長(zhǎng)所需要的最佳氣候條件進(jìn)行比較分析，并為控制提供依據(jù).根據(jù)作物生長(zhǎng)柜中植物生長(zhǎng)需要采用SHT75溫濕度傳感器.這是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，它將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，輸出直接為數(shù)字信號(hào)[4].

2.5執(zhí)行系統(tǒng)模塊

執(zhí)行系統(tǒng)包括通風(fēng)機(jī)、加熱器、制冷器、水泵等設(shè)備, 它是自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行者，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié).單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)與輸出電路的直流繼電器相連，繼而控制各種外部設(shè)備.

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主控控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和界面操作程序設(shè)計(jì)兩部分.

控制系統(tǒng)程序主要由單片機(jī)完成，其功能有環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、外部設(shè)備的控制以及數(shù)據(jù)的通信.它包括的功能模塊有：數(shù)據(jù)采集模塊、外設(shè)控制模塊及通訊模塊.

圖3　主控控制系統(tǒng)程序流程圖

(1)數(shù)據(jù)采集模塊：根據(jù)植物生長(zhǎng)所需要的環(huán)境條件，需要采集的環(huán)境信息包括溫度、濕度、光照度和CO2濃度.溫濕度的采集由單片機(jī)的IO口直接與溫濕度傳感器SHT71的接口相連完成數(shù)據(jù)的采集[5]；CO2濃度的采集由單片機(jī)的ADC完成，把采集到的電壓值經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成濃度值.

(2)外設(shè)控制模塊：需要控制的外部設(shè)備主要有LED光源、通風(fēng)機(jī)、加熱器、制冷器及水泵等，單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)與輸出電路的直流繼電器相連，分別控制外設(shè)的運(yùn)行，工作流程圖如圖3所示.

(3)通訊模塊：通訊模塊是利用RS485串口與界面操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)與外設(shè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的上傳，同時(shí)接收界面操作系統(tǒng)的控制信息，更新自身的控制狀態(tài).

3.2界面操作程序

界面操作程序所要完成的功能主要有人機(jī)交互操作界面的設(shè)計(jì)以及與主控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，人機(jī)交互界面通過(guò)μC/GUI編寫(xiě).μC/GUI是一種用于嵌入式應(yīng)用的圖形支持軟件.它被設(shè)計(jì)用于為任何一個(gè)使用圖形LCD的應(yīng)用提供一個(gè)有效的不依賴(lài)于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口.它能工作于單任務(wù)或多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境、專(zhuān)用的操作系統(tǒng)或者任何商業(yè)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).

人機(jī)交互界面采用菜單方式，具有環(huán)境參數(shù)顯示、模式選擇、參數(shù)設(shè)定等功能，其主界面如圖4所示，界面操作程序如圖5所示.

圖4　人機(jī)交互界面

圖5　界面操作程序流程圖

4系統(tǒng)功能調(diào)試

4.1系統(tǒng)硬件調(diào)試

系統(tǒng)硬件調(diào)試主要對(duì)已經(jīng)焊接好的電路進(jìn)行調(diào)試，其調(diào)試對(duì)象有：系統(tǒng)電源調(diào)試，ATmega128L單片機(jī)的最小系統(tǒng)調(diào)試，以及系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊的基準(zhǔn)電壓電路調(diào)試，當(dāng)接通電源后測(cè)量基準(zhǔn)電壓電路的輸出基準(zhǔn)電壓值是否是穩(wěn)定的直流5V電壓；系統(tǒng)的負(fù)載增加后，觀察基準(zhǔn)電壓輸出電壓的變化.測(cè)試結(jié)果是基準(zhǔn)電壓輸出的電壓值不受負(fù)載的變化而改變，此外還要進(jìn)行系統(tǒng)MAX485功能模塊調(diào)試.對(duì)于控制系統(tǒng)，如果能使RE與DE功能相聯(lián)系，則當(dāng)通信成功以后，會(huì)自動(dòng)上傳采集到的數(shù)據(jù).對(duì)于界面操作系統(tǒng)，則有選擇性地順序接收數(shù)據(jù).

4.2系統(tǒng)軟件調(diào)試

系統(tǒng)軟件調(diào)試主要對(duì)已經(jīng)調(diào)試好的電路進(jìn)行軟件調(diào)試.如系統(tǒng)液晶顯示軟件調(diào)試是通過(guò)ICCAVR軟件編寫(xiě)程序，根據(jù)液晶模塊的通信時(shí)序和控制寄存器編寫(xiě)程序，把寫(xiě)好的程序下載到單片機(jī)中，然后觀察液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容與程序編寫(xiě)的內(nèi)容是否一致，并根據(jù)屏幕上顯示的內(nèi)容對(duì)程序進(jìn)行修改.此外還有MAX485模塊軟件調(diào)試、傳感器調(diào)試和模數(shù)轉(zhuǎn)換器軟件調(diào)試.最后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，根據(jù)通信的協(xié)議編寫(xiě)程序，分別把單片機(jī)與ARM通過(guò)MAX-232進(jìn)行連接，通過(guò)串口調(diào)試助手軟件進(jìn)行調(diào)試.

5結(jié)論

隨著植物工廠在世界各國(guó)的廣泛發(fā)展及人們對(duì)生活質(zhì)量的關(guān)注越來(lái)越多，“家庭植物工廠”的發(fā)展也越來(lái)越快.本文設(shè)計(jì)的這套基于LED光源的植物生長(zhǎng)環(huán)境模擬系統(tǒng)正是對(duì)此理念的一種實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本、功耗相對(duì)較低，控制簡(jiǎn)單可靠，較好地模擬出適合植物生長(zhǎng)所需的生態(tài)環(huán)境，可以對(duì)未來(lái)家庭植物工廠的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用.經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行正常、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

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[1]張成波,楊其長(zhǎng).植物工廠研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,(z2):34-37.

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[5]于華麗,趙曉順,劉淑霞,等.傳感器SHT71在溫濕環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2008,(5):151-153.

(責(zé)任編校：晴川)

Study and Design of Control System for Plant Growth Cabinet

TIAN Yanyan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou College of Technology and Industrial Application,Zhengzhou Henan 451100, China)

Abstract：This paper designs a simulation environment system for the plant growth based on LED light source. The control system of crop growth cabinet is mainly composed of the touch screen interface system and control system, which communicate with each other through the RS485 module. The control core of the control system is ATmega128L single chip microcomputer, and the interface operating system uses 32-bit processor STM32F103VCwith Cortex_M3 as the kernel. The control system configures 7 inch TFT touch screen, uses μC/GUI to write simple man-machine interface, realizes real-time monitoring of plant growth environmental parameters in the cabinet, and simulates a variety of ecological environments of the plant by setting various parameters. So it is beneficial for the customized cultivation of all kinds of plants.

Key Words：plant growth cabinet; ATmega128L; sensor; LED light source

中圖分類(lèi)號(hào):TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-4681(2016)02-0067-03

作者簡(jiǎn)介：田彥彥(1987— )，女，河南駐馬店人，鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教師，碩士.研究方向：智能控制與檢測(cè)技術(shù).

收稿日期：2016-03-06