賈鶴鳴，朱傳旭，宋文龍，楊澤文

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

基于嵌入式控制器的微型植物工廠系統(tǒng)設計

賈鶴鳴，朱傳旭，宋文龍*，楊澤文

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

采用以ARM為核心的低功耗、高性能的STM32單片機，研發(fā)一種適用于實驗室或家庭的桌面級微型植物工廠。該微型植物工廠是對大型植物工廠技術的濃縮，能夠在較小的空間中進行精準的溫濕度控制、光照強度光質比例控制和營養(yǎng)液循環(huán)控制，為植物提供一個最適宜的生長環(huán)境。系統(tǒng)采用大功率RGBLED作為照明光源，相比于傳統(tǒng)照明設施，LED光源具有效率高、亮度大、壽命長等優(yōu)點。由于大功率RGBLED長時間工作發(fā)熱量較大，所以在燈組后加入水冷散熱系統(tǒng)，并接入營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，不僅利用了散發(fā)的熱量，而且降低了LED的溫度，延長了使用壽命，更加節(jié)能環(huán)保。

植物工廠；環(huán)境因子控制；嵌入式系統(tǒng)；STM32；LED

0 引言

近些年，隨著現代化農業(yè)技術的不斷進步，植物工廠及其相關技術也得到了飛速的發(fā)展。植物工廠的發(fā)展不僅可以滿足人們對安全無公害的農作物的需求，而且對解決由于環(huán)境污染、人口增加帶來的耕地減少、糧食短缺等多種社會問題也有著很大的幫助[1-2]。

微型植物工廠是對大型植物工廠技術的濃縮，它可以在較小的密閉空間中通過智能控制系統(tǒng)精確控制植物生長所需的環(huán)境因子，為植物提供一個溫濕度適宜，光照、養(yǎng)分充足的生長環(huán)境。在日本，荷蘭，美國等植物工廠技術比較發(fā)達的國家，不僅將物聯(lián)網[3]、溫差發(fā)電[4]等先進技術應用在植物工廠中，而且家用級的微型植物工廠已經研發(fā)完畢并得到廣泛應用。它不僅可以凈化室內空氣，美化生活環(huán)境，而且可以提供綠色有機、安全無公害的蔬菜，滿足了人們的日常需求[5]。但在我國由于受植物工廠研究起步較晚、技術不夠成熟等因素的限制，微型植物工廠的開發(fā)和應用還處于研究和探索階段[6]。

傳統(tǒng)的植物工廠控制系統(tǒng)大多采用PLC作為主控制器，但PLC體積過大，不利于將植物工廠微型化[7]。本文針對以上問題，設計了基于嵌入式控制器的微型植物工廠控制系統(tǒng)。由于ARM 內核的處理器有著低功耗、高處理速度等優(yōu)點，非常適合在嵌入式系統(tǒng)中使用，所以本文選擇基于ARM Cortex-M3內核STM32F103單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。

1 植物工廠控制系統(tǒng)總體設計

1.1 控制系統(tǒng)結構組成

整個控制系統(tǒng)分為單片機系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)，環(huán)境調控系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)和數據存儲系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的整體結構框圖Fig.1 The overall structure of the control system block diagram

人機交互系統(tǒng)由液晶屏幕和觸摸屏組成。屏幕采用3.2英寸TFT液晶屏，可以實時顯示系統(tǒng)的環(huán)境因子信息和控制參數。通過XTP2046觸摸屏控制IC驅動的4線制電阻觸摸屏，可以進行人機交互，實時修改控制參數。

傳感器系統(tǒng)包括光照強度傳感器，顏色傳感器、溫、濕度傳感器和 濃度傳感器，傳感器個數經過優(yōu)化確定為10個，光照強度傳感器、顏色傳感器、濃度傳感器各兩個，溫、濕度傳感器共四個，分別均勻分布在上下兩層[8]。通過光強傳感器和顏色傳感器可以采集到光照強度和光質比例信息；溫、濕度傳感器可以精確的采集到空氣溫、濕度信息；CO2傳感器可以實時檢測箱體內部的CO2濃度。

STM32單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，它通過處理分析傳感器采集回來的溫度、濕度、光強等信息，來發(fā)送命令控制繼電器的通斷、LED的亮度和水泵的轉速，使各個環(huán)境調控機構協(xié)調工作，從而在微型植物工廠內部形成一個適合植物生長的環(huán)境。

1.2 控制系統(tǒng)工作過程

STM32單片機定時向各個傳感器發(fā)送數據采集命令，傳感器接收到命令后將數據發(fā)送給單片機，經過分析處理后，首先將數據存入SD卡，再根據已經設定好的植物生長所需的環(huán)境因子的閾值來判定各個繼電器的通斷，進而控制水泵、加熱管、制冷器等設備的開啟或關閉；同時改變PWM波的點空比，進而控制LED補光燈的亮度。由于STM32單片機不斷循環(huán)著上述過程，不斷檢測、控制環(huán)境因子，因此構成了一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。

光是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，植物的生長、形態(tài)建成乃至植物體內的基因表達均具有重要的調控作用[9]。植物在它的整個生長發(fā)育周期中始終處于一個不斷變化的光環(huán)境中。這就要求微型植物工廠內部的光源可以按植物的需求調整不同的光照強度、配置不同比例的光質。傳統(tǒng)的人工光源主要包括白熾燈、熒光燈和鈉燈等，但這些光源都存在著發(fā)光效率低、能耗大和光譜不匹配等弊端[10-11]。LED作為新一代的光源發(fā)出光的半波長波動幅度小于30 nm，可以實現高純度單色光的設置，同時還可以進行精準的配比，形成與植物光合作用基本吻合的光譜[12]。此外，LED光源的光能利用率高，節(jié)能效果好，為農業(yè)照明的生產應用，尤其是植物工廠及植物補光等領域提供了優(yōu)質的人工光源。所以系統(tǒng)采用了高亮度的RGBLED燈組為整個系統(tǒng)進行補光，通過PWM控制可以精確的控制光質的比例和光照強度，有利于提高農作物的產量。

微型植物工廠內部環(huán)境中的CO2、O2等氣體與外部氣體交換是通過循環(huán)風扇控制的。循環(huán)系統(tǒng)的結構如圖2所示。外部氣體通過外循環(huán)風扇進入氣體準備區(qū)，然后將空氣調整到合適的溫度和濕度，再開啟內循環(huán)風扇，將空氣送入植物工廠內部。循環(huán)風扇的開啟和關閉是定時控制的。而內部的溫、濕度控制則是按照事先設定好的閾值自動控制。在溫度低于設定值時，開啟加熱器，熱空氣從植物工廠底部向上運動，通過風扇將熱空氣均勻分布；當溫度過高時則開啟制冷器，重復上述過程；同樣濕度也遵循上述控制方式。

(a)循環(huán)系統(tǒng)主視圖

(b)氣體準備區(qū)側視圖圖2 循環(huán)系統(tǒng)結構圖Fig.2 Circulation system structure1.外循環(huán)風扇 2.加熱器 3.制冷器 4.加濕器5.內循環(huán)風扇

微型植物工廠是靠營養(yǎng)液來給植物提供養(yǎng)分的。所以植物根部營養(yǎng)液的流速和溫度也影響著植物的生長。營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)結構如圖3所示。營養(yǎng)液的流速是靠入水管和出水管處的水泵的轉速控制的。植物工廠內的流速計將流速信息傳到STM32單片機，經過分析處理后，控制器通過PWM控制水泵的轉速，從而控制營養(yǎng)液的流速。營養(yǎng)液溫度的控制是通過加熱器和制冷器的開啟或關閉實現的。由于高亮度LED燈組在長時間工作后也會產生大量熱量，所以在LED燈組上添加水冷散熱器，通過水泵使營養(yǎng)液在散熱器中流動，既帶走LED的熱量，減少加熱器的啟動時間，節(jié)約能源，有起到了給LED燈組降溫的作用，延長LED燈組的使用壽命[13-14]。

(a)營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

(b)LED水冷板圖3 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)結構圖Fig.3 Nutrient solution circulation system structure1.加熱器 2.制冷器 3.水泵 4.液位傳感器5.流速傳感器圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機系統(tǒng)

傳統(tǒng)的植物工廠大都采用PLC做為整個系統(tǒng)的主控制器，這使得整個系統(tǒng)的成本很高，而且體積很大，不利于縮小系統(tǒng)體積。本文針對以上問題，設計了基于嵌入式系統(tǒng)的微型植物工廠控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用STM32F103單片機作為系統(tǒng)的主控芯片，該單片機是基于ARM Cortex-M3內核的高性能、低功耗的控制器，工作頻率達72MHz，集成了512 KB FLASH和64KB SRAM，具有I2C、SPI、USART、FSMC、SDIO等接口模塊，并且具有8個16位的定時器，滿足本系統(tǒng)的設計要求[15-18]。

2.2 傳感器系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括溫、濕度傳感器、CO2傳感器、光照強度傳感器和顏色傳感器。溫、濕度傳感器采用DHT11數字溫濕度傳感。它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它的體積小、功耗低，抗干擾能力強，信號傳輸距離可達20 m以上。該傳感器采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。光照強度傳感器采用BH1750FVI型數字傳感器，該傳感器內置16bit高精度A/D轉換器，可檢測到的光照度范圍為1～65 535 lx，精度可達1 lx，采用標準I2C總線連接方式，能方便的與STM32單片機I2C總線接口通訊，實現光照強度信息采集。檢測采用MGS811電化學型模塊傳感器，此傳感器自帶溫度補償，可以輸出0～2 V的模擬電壓，測量范圍為0～10 000 ppm，精度為1 ppm，完全滿足系統(tǒng)需求。顏色傳感器采用TCS3200傳感器，該傳感器可以直接輸出RGB值，方便控制各種光質的占比。以上傳感器的電路如圖4所示。

圖4 傳感器的電路Fig.4 The circuit diagram of the sensor

2.3 數據存儲系統(tǒng)

由于系統(tǒng)需要記錄植物工廠的各個時間段環(huán)境因子的信息，所以系統(tǒng)選用一個2GB的MicoSD卡來存儲信息。SD卡的讀寫可以選擇SDIO模式或SPI模式，但SPI模式的讀寫速度慢于SDIO模式，且STM32單片機具有SDIO接口，所以系統(tǒng)采SDIO模式接線方式，STM32單片機與SD卡的連接電路如圖5所示。SDIO模式下單片機需要4根數據線與SD卡進行通信，且每根數據線需要接10 KΩ上拉電阻。CLK為時鐘線，由SDIO主機產生，即由STM32控制器輸出；CMD為命令控制線，SDIO主機通過該線發(fā)送命令控制SD卡，如果命令要求SD卡做出響應，SD卡也是通過該線傳輸響應信息。

圖5 STM32單片機與SD卡的連接電路Fig.5 Connection circuit between STM32 MCU and SD card

2.4 環(huán)境調控系統(tǒng)

植物工廠中有很多風扇、加熱器等大電流高電壓的設備，STM32單片機的GPIO驅動能力有限，不能直接驅動這些設備，所以通過繼電器來控制這些被控設備。同時為了減小設備在啟動或關閉時帶來的電流或電壓的波動，在控制器和被控設備間增加光耦 TLP521-4來增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時在電路設計上將該系統(tǒng)的電源和接地與控制系統(tǒng)的電源和接地分離開，減少相互干擾。環(huán)境調控系統(tǒng)驅動電路如圖6所示。

系統(tǒng)中的LED的亮度和水泵的轉速需要通過PWM信號進行控制，同樣STM32單片機的GPIO輸出PWM信號的能力有限，需要驅動電路來控制這些設備。這里選用兩個AOD4184型MOS管并聯(lián)組成的驅動電路。該驅動電路內阻更小，驅動電流更大，常溫下驅動電流可達10 A。MOS管驅動電路如圖7所示。

圖6 環(huán)境調控系統(tǒng)驅動電路Fig.6 Environmental control system drive circuit

圖7 MOS管驅動電路Fig.7 MOS tube drive circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件控制流程

控制系統(tǒng)的主要任務是對微型植物工廠內部的各個環(huán)境因子數據進行采集、處理和存儲，通過人機交互界面改變各參數的控制要求，從而實現對工廠內部環(huán)境的人為控制，最終使植物工廠內部的溫度、濕度和光照強度的等環(huán)境因子根據植物不同生長階段的需求而變化，并維持在適宜植物生長的范圍。

STM32單片機的中斷系統(tǒng)非常強大，每個片上外設都可以產生中斷。F103系列單片機在內核水平上搭載了一個異常響應系統(tǒng)，支持為數眾多的系統(tǒng)異常和外部中斷。其中系統(tǒng)異常有8個，外部中斷有60個。除了個別異常的優(yōu)先級被固定外，其它異常的優(yōu)先級都是可編程的。所以本系統(tǒng)以中斷控制為核心，通過單片機響應不同優(yōu)先級的中斷來完成對各個環(huán)境因子的控制。該系統(tǒng)將環(huán)境因子的控制分為4個中斷服務程序，分別為LED亮度控制中斷服務程序、溫濕度調整中斷服務程序、營養(yǎng)液調整中斷服務程序和氣體置換中斷服務程序。軟件控制流程如下：

首先，系統(tǒng)對各部分硬件進行初始化，主要包括系統(tǒng)時鐘初始化，SDIO接口初始化，FSMC接口初始化，GPIO初始化等。初始化結束后，各個傳感器已經處于正常工作狀態(tài)，STM32單片機發(fā)送指令，采集因子信息，同時判斷是否達到設定SD卡寫入時間，如果達到則將采集回來的數據信息通過SDIO接口寫入SD卡。隨后判斷各環(huán)境因子超限中斷是否到來，如果有一個或多個中斷到來則按照事先約定的中斷優(yōu)先級順序依次執(zhí)行。執(zhí)行完畢后返回主程序，繼續(xù)采集環(huán)境因子信息，循環(huán)上述過程?？刂葡到y(tǒng)的流程圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)流程圖Fig.8 Control system flow chart

3.2 人機交互界面設計

植物工廠的控制與參數設置主要是通過人機交互界面來完成的，因此該界面的設計就變得非常重要。液晶屏的主界面主要顯示當前系統(tǒng)的運行時間、運行模式，以及各個環(huán)境因子的控制范圍和實時數據。在主屏界面的上方設置了“時間設置”“模式選擇”“數據管理”三個子界面按鈕，在觸摸屏上點擊相應的按鈕就可以進入對應的子界面，從而進行對各個參數的詳細設置。在時間設置界面中，操作者可以對系統(tǒng)的當前時間以及運行時間進行設置；在數據管理界面中，操作者不僅可以對系統(tǒng)中記錄的所有數據進行瀏覽，而且可以導出或刪除數據；在模式選擇界面中，操作者可以根據需要選擇自動模式或者手動模式。自動模式中可以按照植物的需求設置不同生長階段的時長以及該階段環(huán)境因子的變化范圍，手動模式中控制各個執(zhí)行機構的啟停。人機交互界面的框圖如圖9所示，人機交互界面的截圖如圖10所示。

圖9 人機交互界面框圖Fig.9 Human-Computer interface block diagram

圖10 人機交互界面截圖Fig.10 Human-computer interface screenshots

4 結論

本文設計了一種適用于實驗室或家庭的桌面級微型植物工廠。該系統(tǒng)采用STM32F103單片機作為植物工廠的主控芯片，其豐富的接口和較高的性能，完全滿足控制要求。通過STM32單片機強大的中斷系統(tǒng)實現了對工廠內部的溫度、濕度、光照強度和光質比例等環(huán)境因子的實時監(jiān)控。同時系統(tǒng)還設有人機交互界面，通過液晶屏實時顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，觸摸屏隨時改變系統(tǒng)各項參數，操作方便。系統(tǒng)采用大功率LED作為植物補光光源，通過PWM控制就能改變光照強度和光質比例，方便高效。由于大功率LED長時間工作的發(fā)熱量較大，所以在LED燈組上加裝水冷散熱板，并接入營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，同時解決了LED散熱和營養(yǎng)液加溫的問題，節(jié)能環(huán)保。

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Design of Mini-Plant Factory System Based on Embedded Controller

Jia Heming，Zhu Chuanxu，Song Wenlong*，Yang Yiwen

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In this paper，an ARM-based，low-power and high-performance STM32 microcontroller is used to develop a desktop mini-plant factory for laboratory or home use.The mini-plant factory is a concentration of large plant factory technology，which can precisely control temperature，humidity，light intensity，light quality ratio and nutrient circulation in a small space and can provide an optimum environment for the growth of plants.High-power RGBLED is used as light source because it has the advantages of high efficiency，high brightness，long life and so on compared with traditional lighting.If the high-power RGBLED worked for a long time，it will generate a lot of heat，and therefore a water cooling system is added to the lighting and is connected to the nutrient liquid circulation system.The whole system not only makes use of the distributed heat，but also reduces the temperature of the LED.This design extends the service life of LED，saves more energy and protects the environment.

Plant factory；environmental factor control；embedded systems；STM32；LED

2017-03-14

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(2572014BB03)；國家自然科學基金項目(31270757；31470714)黑龍江省研究生教育創(chuàng)新工程資助項目(JGXM_HLJ_2016014)

賈鶴鳴，博士，副教授。研究方向：基于植物生體信息的最適環(huán)境控制

*通信作者：宋文龍，博士，教授。研究方向：智能控制與檢測技術。E-mail：wlsong@126.com

賈鶴鳴，朱傳旭，宋文龍，等.基于嵌入式控制器的微型植物工廠系統(tǒng)設計[J].森林工程，2017，33(4)：58-64.

TP 273

A

1001-005X(2017)04-0058-07