深圳大學信息工程學院 區(qū)耀中 邱俊滔 李宇威 游俊德 嚴子富 柯 嬋 文含和

基于溫室大棚的自動化控制系統(tǒng)設計

深圳大學信息工程學院 區(qū)耀中 邱俊滔 李宇威 游俊德 嚴子富 柯 嬋 文含和

本文分享了溫室大棚自動化控制系統(tǒng)的設計結(jié)構(gòu)與原理，分享了作者設計的經(jīng)驗教訓，并且用此系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫室大棚的各個參數(shù)的控制。

溫室大棚；自動化；控制；單片機；嵌入式

一、背景

傳統(tǒng)的露天式農(nóng)業(yè)過于依賴于變幻莫測的天氣情況，對天氣的變化非常敏感，而溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境相對外界變化較為溫和穩(wěn)定，而且可以人為控制。因而，溫室大棚可以廣泛用于特定作物的耕作，而且能夠廣泛用于農(nóng)業(yè)科研研究的基地。同時，隨著中國經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，人們消費生活水平提高，人力成本也逐漸提高；并且科研人員對于特定場景的物種研究需要耕作實踐。開發(fā)出自動化的溫室大棚系統(tǒng)，不僅能夠擴大溫室大棚的優(yōu)勢，而且能夠減少糧食生產(chǎn)的成本，增加農(nóng)業(yè)科研人員的研發(fā)效率。高科技比傳統(tǒng)耕作方法具有更高的抗風險能力，面對自然災害，高效率的自動化輔助耕作可以在更短時間完成預防工作，盡力挽救損失。因而，我們團隊花費了半年時間，進行了諸多實踐得到了不少成果經(jīng)驗。我們在項目期間，設計了一個在本文中，把我們的經(jīng)歷與經(jīng)驗，與大家一同分享。

二、系統(tǒng)模型設計

我們團隊對溫室大棚的模型采用圓頂，一維的模擬農(nóng)田進行設計。因而我們所有的灌溉設備只有一行置于農(nóng)田正上方的適當部位。同時，我們在溫室薄膜的兩個側(cè)面設計了一對通風孔，保持溫室內(nèi)的空氣對流。在棚頂安置了補光燈。同時在內(nèi)部放置了光敏傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等。

三、系統(tǒng)硬件設計以及可行性分析

1.中央控制電路

本控制系統(tǒng)的中央控制電路采用的是ST公司開發(fā)的STM32F-103C8T6芯片，它基于ARM的Context-M3內(nèi)核。對于我們這種實時性不高、數(shù)據(jù)量不太大的系統(tǒng)足夠了。他的內(nèi)部外設也足夠豐富，能夠應付大部分的應用場景。

2.外圍控制電路

中央控制電路控制的是外圍控制電路，包括三極管、繼電器、電磁閥、數(shù)據(jù)傳輸模塊（本系統(tǒng)使用ESP8266無線模塊）以及各種傳感器。

由于我們這里的控制涉及到小電流控制大電流器件，而且相差特別懸殊，我們使用了二級驅(qū)動電路。而芯片是一種低功率器件，其電壓低、電流微弱，普通的STM32F1芯片系統(tǒng)總電流大概就200～300mA，每個引腳能夠輸出的最大電流也就是20mA，這么微弱的電流根本無法驅(qū)動額定電流2A的電磁閥。因而我通過三極管的電流放大作用，將約2mA的引腳輸出電流放大至約50mA左右，用這個一級放大電流去控制一個繼電器（型號：SONGLE SRD-05VDC-SL-C），利用繼電器的開關(guān)特性去進行二級放大，控制電磁閥的2A電流，構(gòu)成了整個2mA小電流控制2A大電流的系統(tǒng)。其他大功率設備控制也是通過這樣的方式，這里就不一一概述。

3.外圍傳感器

（1）光敏傳感器

光敏傳感器安裝于大棚頂部敞亮的位置，方便接收外界光線信號。這個傳感器的設置是為了感知外部光照環(huán)境，判斷是否需要開啟或者關(guān)閉補光燈系統(tǒng)。

（2）土壤溫濕度傳感器

土壤溫室度傳感器安裝于土壤正中，深度約為5cm左右，便于監(jiān)測土壤的溫濕度變化，用于決定是否需要啟動或者關(guān)閉灌溉系統(tǒng)。

（3）二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳濃度傳感器安裝于距離土壤30cm的高度處，以監(jiān)測棚內(nèi)二氧化碳濃度來控制大棚內(nèi)的排氣扇，讓大棚內(nèi)的CO2濃度維持在合適的范圍。

4.用戶控制系統(tǒng)

由于部分操作需要用戶操作，我們使用無線模塊與用戶的移動設備進行遠距離交互。我們將無限發(fā)送模塊作為TCP客戶端并且連接上了校園內(nèi)的無線網(wǎng)絡，使其可以在校園網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)互聯(lián)互動。即便我身處宿舍，也可以遠程操控。用戶端可以通過發(fā)送指令干預中央處理器的行為。對于用戶的指令中央處理器會進行處理并進行操作反饋與用戶互動。讓用戶可以及時遠程了解大棚狀況。

圖1 系統(tǒng)框架

圖2 控制程序圖流程圖

四、系統(tǒng)控制邏輯

中央控制器負責對整個電路進行著邏輯控制。我們通過“控制-反饋”組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。通過反饋回來的信息不斷調(diào)節(jié)我們整個系統(tǒng)，來讓系統(tǒng)狀態(tài)達到最優(yōu)（見圖1、圖2、圖3）。

1.灌溉系統(tǒng)

通過土壤溫濕度傳感器監(jiān)測出來的溫濕度，比對我們的目標值，低于目標值則進行灌溉操作，高于或等于目標值就停止灌溉操作。

當然，由于我們要用兩個參數(shù)來指導灌溉系統(tǒng)，因而兩個參數(shù)需要設置相應的權(quán)重。一般我們默認為相同權(quán)重。但是有界限，一旦某一參數(shù)超過界限，則邏輯由該參數(shù)直接決定，直至參數(shù)回歸到設定的界限。這是為了防止極端條件對大棚的穩(wěn)定性造成影響。溫度我們這這里設置的目標值為25℃，界限為18～35℃，濕度的目標值為白天55%，夜間83%，界限為20%浮動。當然，參數(shù)均可自行設置。

圖3 光敏傳感器與不同的匹配電阻的輸出

2.補光系統(tǒng)

補光系統(tǒng)依賴于光敏傳感器（型號：LXD/GB3-A1DPZT 1206線性光敏傳感器）傳回的值進行調(diào)控。由于平時陽光強度很大，一般陰天已經(jīng)能夠超過100 LUX，我們需要設定在日落或者傍晚這種弱光環(huán)境給予棚內(nèi)植物合適的光線進行光合作用。我們根據(jù)實操經(jīng)驗給出的閾值約為30～50 LUX即可在夜間開燈，陰天不開燈。我們選擇將光敏電阻串聯(lián)100kΩ的電阻，讓它在30～50 LUX具有較大的線性范圍。

不同的光照程度電阻分得的電壓是不一樣的。我們根據(jù)這個系統(tǒng)的特點，用中央芯片的ADC內(nèi)部外設監(jiān)測該系統(tǒng)電阻上分得的電壓水平，高于1.5V（我們的經(jīng)驗值，此值因不同的系統(tǒng)而異）我們就認為光照強度達到了閾值，關(guān)閉補光系統(tǒng)；低于則開啟光照系統(tǒng)。

1.排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)依賴于二氧化碳濃度傳感器的工作。如果在白天光照充足的情況下，閉塞的大棚無法讓空氣流通，二氧化碳沒法從外界補充，而植物又消耗掉大部分的二氧化碳，甚至低于100μL/升，此時光合作用幾乎停止；然而晚上植物的呼吸作用又會讓大棚內(nèi)充斥大量的二氧化碳，甚至達到1000μL/升，這些二氧化碳是第二天光合作用寶貴的物質(zhì)，此時我們需要關(guān)閉排氣來留住這些養(yǎng)料。只要監(jiān)測到棚內(nèi)二氧化碳濃度低于大氣值，則打開排氣系統(tǒng)；高于此值則關(guān)閉，盡最大程度讓植物能夠充分利用二氧化碳進行光合作用。

2.無線通訊系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)與中央芯片共同協(xié)作。無線射頻模塊將收到的指令信息傳回處理器，處理器解析出信息內(nèi)容，做出相應的反應后將操作結(jié)果通過無線射頻模塊傳回給用戶。我們在程序預先設置了相關(guān)的操作指令，用戶只要連上了大棚就會有“打招呼”內(nèi)容。提示用戶操作只要按照提示操作就能正確指揮系統(tǒng)。

五、實踐驗證

我們經(jīng)過長時間的模型搭建與實測，去尋找系統(tǒng)的缺陷，并且完善這些缺陷。能夠達到預期的效果。我們在此過程中保留了圖片。

圖4

六、經(jīng)驗總結(jié)

整個項目下來，我們有得有失，總結(jié)了不少經(jīng)驗教訓，可以讓后來的參考者少走一些彎路。

1.盡量設計PCB板

設計PCB板有個好處就是集成度高，同時所有邏輯器件都在板子上，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少一些無意之失。一些磕磕碰碰不至于損壞整個系統(tǒng)的核心，同時提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，避免一些難以覺察的錯誤。

2.設置“集線器”

由于系統(tǒng)中有各種線材需要從主控部分引出到大棚中，將所有的線材（水管、電線、信號控制線等）安置在一起可以減少系統(tǒng)的損壞。

3.購買耐用的耗材

由于系統(tǒng)是長時間暴露在外的，除了以上兩點，我們還需要注意在購買器材的時候不要貪小便宜，很容易造成在室外工作的不穩(wěn)定。

4.做好防水抗高溫工作

變幻莫測的天氣會給系統(tǒng)帶來干擾與破壞，對特別是核心部件的防水除濕、防高溫工作很有必要。芯片的工作環(huán)境溫度不要高于60度、濕度要盡量低，否則很容易造成芯片損壞或者程序跑飛。我們之前沒有在控制箱內(nèi)放置除濕劑，每次雨后控制箱內(nèi)會有積水，導致控制板過快老化。

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本項目受到了廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金的資助（項目號：Pdjh2017b0435）。

指導老師：潘志銘。