鄒豐謙， 邱成軍

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。國(guó)外開(kāi)發(fā)了一種基于跨平臺(tái)移動(dòng)地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)的便攜式農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，可以捕獲農(nóng)田全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)坐標(biāo)、農(nóng)業(yè)屬性數(shù)據(jù)、圖像信息，并即時(shí)由G網(wǎng)絡(luò)或通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了植物環(huán)境信息的采集、定位。野外培育植物存在需要大量的人力來(lái)管理導(dǎo)致成本提高問(wèn)題，往往需要遠(yuǎn)程無(wú)線操作；農(nóng)作物一般生長(zhǎng)在野外，受限于地域電力資源差異，系統(tǒng)供電問(wèn)題就很難解決。本文提出了一種基于太陽(yáng)能供電的植物環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)，可以完成植物環(huán)境的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，應(yīng)用太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光儲(chǔ)能供電，具有較高光能轉(zhuǎn)換效率，解決了野外供電困難的問(wèn)題[1]。

1 植物生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)植物環(huán)境的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，同時(shí)解決野外供電問(wèn)題。而植物環(huán)境的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，其實(shí)就是對(duì)土壤環(huán)境的溫濕度及光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理；戶外供電問(wèn)題可利用太陽(yáng)能為電池充電實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這一目標(biāo)，本系統(tǒng)可以分為兩大部分：太陽(yáng)能供電模塊設(shè)計(jì)和土壤環(huán)境管控模塊。圖1為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 基于STM32的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

1.2.1 溫濕度光強(qiáng)傳感信息采集

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)作物周圍空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤含水量等多參數(shù)信息的測(cè)量，LCD1602作為顯示器輸出信息。測(cè)量參數(shù)的基本要求[2]為:氣溫度測(cè)量范圍為-0～50 ℃，準(zhǔn)確度為±3.0 %；空氣濕度測(cè)量范圍0 %～99 %RH，準(zhǔn)確度為±5.5 %RH(25 ℃);土壤溫度測(cè)量范圍為-0～50 ℃，準(zhǔn)確度為±2.5 %；土壤濕度測(cè)量范圍為0 %～99 %RH，準(zhǔn)確度為±5.5 %(25 ℃)；光強(qiáng)測(cè)量范圍為50～40 000Lx,準(zhǔn)確度為±3.5 %。

濕敏電容式數(shù)字傳感器AM2302用于收集溫度和濕度。溫度測(cè)量范圍為-40～80 ℃，分辨率為0.1 ℃，精度為±0.5 ℃;濕度測(cè)量范圍為0 %～99 %RH，分辨率為0.1 %RH，精度為±2 %RH(25 ℃溫度)[3]。GY—30數(shù)字式光強(qiáng)度傳感器用于采集光強(qiáng)度，測(cè)量范圍為0～65 535 Lx。

使用SMET—2的傳感器測(cè)量土壤溫濕度。SMET—2傳感器是一種基于介電技術(shù)理論的土壤性能傳感器，它采用雙頻技術(shù)，設(shè)置土壤溫濕度，具有濕度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償算法，可通過(guò)RS—485接口與微控制器連接濕度測(cè)量范圍為20 %～90 %RH,溫度測(cè)量范圍為-40～85 ℃，濕度測(cè)量準(zhǔn)確度±3 %(0 %～53 %)±5 %，溫度測(cè)量準(zhǔn)確度小于0.3 ℃[4～6]。

選擇光照傳感器對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器在光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO口輸出高電平；當(dāng)外界環(huán)境光強(qiáng)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，DO輸出低電平。

1.2.2 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)短信控制電路

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常用的通信方式主要是基于GSM，GPRS，碼分多址(code division multiple access,CDMA)等通信的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)[9]。

本系統(tǒng)選擇SIM800A模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程短信信息交互操作。其工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短訊服務(wù)(short messaging service,SMS)和數(shù)據(jù)信息的傳輸。圖2為GSM短信控制電路設(shè)計(jì)。

圖2 GSM短信控制電路設(shè)計(jì)

1.2.3 發(fā)光二極管補(bǔ)光電路設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，植物光合作用需要的光線其波長(zhǎng)在400～700 nm左右,其中400～500 nm(藍(lán)色)的光線以及610～720 nm(紅色)對(duì)于光合作用貢獻(xiàn)最大。為提高光合作用效率，本系統(tǒng)選用對(duì)植物光合作用利用效率最高的高亮LED進(jìn)行紅藍(lán)色交替補(bǔ)光。土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)控制模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)理模塊程序流程

1.3 太陽(yáng)能充電模塊

1.3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

具有自動(dòng)太陽(yáng)光跟蹤功能的太陽(yáng)能供電模塊選擇型號(hào)為28BYJ—48的4相5線5 V的步進(jìn)電機(jī)，由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力弱，所以還需要通過(guò)ULN2003來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器處理數(shù)據(jù)[10]。光照強(qiáng)度對(duì)比追蹤模式將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并以A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。光強(qiáng)差決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，控制太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定參數(shù)設(shè)置。圖4為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.3.2 太陽(yáng)能電池充電模塊硬件設(shè)計(jì)

充電模塊主要由一塊工業(yè)級(jí)太陽(yáng)能電池板、后端穩(wěn)壓限流電路和鋰電池組成，太陽(yáng)能電池后端穩(wěn)壓限流電路主要采用升降壓芯片作為主要控制器，外置60V/75A MOS管作為開(kāi)關(guān)管，雙60V/5A SS56作為整流模塊，性能優(yōu)于市面上XL6009/LM2577穩(wěn)壓限流方案。采用4節(jié)18 650可充電鋰電池，額定電壓為3.7 V，每個(gè)電池容量為2 500 mA·h。電源模塊具備短路保護(hù)及輸出電壓電流寬限調(diào)節(jié)功能。本系統(tǒng)采用短路電流為250 mA太陽(yáng)能電池板為系統(tǒng)充電，滿足系統(tǒng)供電需求。

2 系統(tǒng)硬件測(cè)試與誤差評(píng)估

2.1 系統(tǒng)硬件測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：太陽(yáng)能供電植物環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以MARK1.0命名，具有實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)澆水、自動(dòng)補(bǔ)光以及GSM短信遠(yuǎn)程控制等功能且系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池板具有自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光功能。本文為系統(tǒng)制作了一個(gè)模型封裝結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)能供電植物環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)定當(dāng)土壤環(huán)境相對(duì)濕度低于35 %RH的時(shí)候進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水，光照傳感器檢測(cè)環(huán)境中光強(qiáng)低于設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)光，采用手擋住光照傳感器進(jìn)行模擬測(cè)試。如圖6所示。經(jīng)過(guò)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行短信遙控通信測(cè)試，短信控制相關(guān)指令操作及反饋信息是：發(fā)送“get”獲得當(dāng)前土壤環(huán)境的溫濕度；發(fā)送“jiaoshui”執(zhí)行澆水操作并且回復(fù)“OK!”；發(fā)送“buguang”執(zhí)行補(bǔ)光操作并且回復(fù)“OK!”。

圖6 自動(dòng)補(bǔ)水、補(bǔ)光測(cè)試

2.2 系統(tǒng)軟件測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行超過(guò)48 h，測(cè)量結(jié)果每2 h記錄1次。 土壤溫度濕度采集誤差測(cè)試曲線如圖7所示，為AR837數(shù)字溫濕度儀的隨機(jī)連續(xù)25次實(shí)驗(yàn)溫濕度結(jié)果：溫度最大絕對(duì)誤差為+2.0 ℃平均相對(duì)誤差為3.56 %，R為0.975 6；濕度最大絕對(duì)誤差為-4 %RH平均相對(duì)誤差為5.52 %，R為0.998 0。

圖7 溫濕度采集測(cè)試

最小線性相關(guān)系數(shù)R為0.9756，表明MARK1.0與其他常用單功能測(cè)量?jī)x器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在高度線性相關(guān)。通過(guò)計(jì)算最大絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差，土壤溫度濕度測(cè)量結(jié)果符合要求，其自動(dòng)控制精度滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用需求，能更好完善植物環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的人機(jī)交互控制響應(yīng)速度及植物環(huán)境信息采集精度，其光能利用效率的提升可極大促進(jìn)野外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量、產(chǎn)量的雙提高，降低了人工操作及管理難度。最終實(shí)現(xiàn)較好功能性能指標(biāo)，完成了匹配實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐的更高價(jià)值目標(biāo)。