張巍然　侯艷紅

一種溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張巍然侯艷紅

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710300）

文章對(duì)目前現(xiàn)有的溫室大棚溫度、光照、濕度等調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了分析，指出了存在的問(wèn)題，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的思路，設(shè)計(jì)出了一種智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大棚的溫度、濕度、光照的智能控制，并對(duì)有害氣體檢測(cè)并報(bào)警，達(dá)到無(wú)人值守和精確管理的目的。

溫室大棚；智能控制

1 引言

溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，它為廣大百姓提供了以往任何季節(jié)的蔬菜和水果，目前溫室大棚普遍使用卷簾機(jī)來(lái)控制大棚內(nèi)的光照，主要采用現(xiàn)場(chǎng)人工上電的方式以控制卷簾機(jī)的升降[1]，對(duì)于何時(shí)開(kāi)啟卷簾機(jī)、何時(shí)關(guān)閉卷簾機(jī)、光照的時(shí)間長(zhǎng)短、光照強(qiáng)度的控制完全取決于人的主觀判斷和實(shí)際操作，而對(duì)于溫度和濕度的控制除了使用卷簾機(jī)控制光照的方式外，溫室大棚都留有風(fēng)口，主要靠人工拉動(dòng)風(fēng)口繩子的辦法來(lái)進(jìn)行，不但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且這種溫度控制的方式完全取決于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)；另外由于使用肥料、加溫、聚氯乙烯棚膜等原因大棚內(nèi)存在有害氣體，包含氮?dú)狻睔?、亞硝酸氣體、乙烯、一氧化碳等，需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)并報(bào)警。綜上所述，需要科學(xué)合理的機(jī)制來(lái)管理運(yùn)行溫室大棚,來(lái)促進(jìn)效率的提高和安全的運(yùn)行。本論文通過(guò)STM32 系列處理器實(shí)現(xiàn)了大棚的溫度、濕度、光照的智能控制和有害氣體檢測(cè)報(bào)警，達(dá)到無(wú)人值守和精確管理的目的。

2 方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守和精確管理的功能，該系統(tǒng)需要對(duì)大棚內(nèi)的溫度、濕度、有害氣體、關(guān)照等進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)軟件算法對(duì)卷簾機(jī)和通風(fēng)口進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、光照在一個(gè)合理的區(qū)間范圍，當(dāng)有害氣體超標(biāo)時(shí)需要自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)風(fēng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，以盡快排除有害氣體，通過(guò)聲光報(bào)警提示用戶引起重視。

該系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　原理框圖

各部分功能如下：

CPU及外圍電路：整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，將采用CPU及外圍電路配合溫度檢測(cè)電路、濕度檢測(cè)電路、光照檢測(cè)電路、有害氣體檢測(cè)傳感器、繼電器控制電路、無(wú)刷電機(jī)控制電路、聲光報(bào)警器，配合軟件算法來(lái)完成對(duì)卷簾機(jī)和窗口風(fēng)機(jī)的控制，對(duì)有害氣體的檢測(cè)和告警。

溫度檢測(cè)電路、濕度檢測(cè)電路：用于通過(guò)傳感器和對(duì)應(yīng)的放大電路采集溫度、濕度數(shù)據(jù)；無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于控制窗口電機(jī)的開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)速；最終通過(guò)CPU結(jié)合AD轉(zhuǎn)換得到溫度，結(jié)合頻率信號(hào)的測(cè)量完成濕度的檢測(cè)，結(jié)合軟件算法控制窗口電機(jī)，以自動(dòng)調(diào)整室內(nèi)的溫度、濕度。

光照檢測(cè)電路用于采集光照的數(shù)據(jù)CPU結(jié)合I2C接口得到光照的數(shù)字量，再將光照數(shù)據(jù)結(jié)合客戶設(shè)定時(shí)間和本地時(shí)間，控制繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)卷簾機(jī)的升降，以達(dá)到無(wú)人值守的功能。

有害氣體檢測(cè)電路主要用于檢測(cè)室內(nèi)的有害氣體，由于使用肥料、加溫、聚氯乙烯棚膜等原因其有害氣體包含氮?dú)?、氨氣、亞硝酸氣體、乙烯、一氧化碳等，因此需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)；聲光報(bào)警電路通過(guò)發(fā)出醒目的閃光和尖銳的聲音來(lái)報(bào)警；CPU結(jié)合傳感器得到對(duì)應(yīng)有害氣體含量的數(shù)字量，當(dāng)氣體濃度超過(guò)用戶出廠設(shè)定的門限值時(shí)，結(jié)合軟件算法控制窗口電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)的聲光報(bào)警功能，提示室內(nèi)作業(yè)人員引起注意。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 CPU和外圍電路設(shè)計(jì)

CPU采用STM32 F103 C8T6，該CPU是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，優(yōu)越的性能可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

該處理器屬于ARM系列32 位的Cotex-M3系列經(jīng)典處理器，本設(shè)計(jì)連接外部8MHz有源晶振Y1后經(jīng)過(guò)內(nèi)部倍頻，使得具有72 MHZ的系統(tǒng)工作頻率，可以極大的提高本系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

內(nèi)部具有2個(gè)12 位的AD轉(zhuǎn)換器，本設(shè)計(jì)利用PA6接口實(shí)現(xiàn)了溫度模擬信號(hào)PT_OUT的AD轉(zhuǎn)化。

4個(gè)16 位定時(shí)器，每一個(gè)都有4路捕獲和PWM端口，本設(shè)計(jì)PWM接口PB6、PB7、PB8連接HIN1、HIN2、HIN3實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的PWM調(diào)速，結(jié)合定時(shí)器的捕獲接口PA0連接無(wú)刷電機(jī)霍爾信號(hào)H1，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，提高了溫室大棚的窗口控制性能；同時(shí)定時(shí)器的捕獲接口PA1測(cè)量濕度傳感器輸出頻率信號(hào)F_HS1100 ，從而實(shí)現(xiàn)濕度測(cè)量功能。

I2C接口PB10 和PB11 對(duì)應(yīng)I2C2_SCL和I2C2_SDA，分別連接光照傳感器，實(shí)現(xiàn)了光照的測(cè)量。

UART接口PA9和PA10 ，TX和RX連接RS485 轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)有毒有害氣體探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)有毒有害氣體的檢測(cè)，然后IO口PB14 連接WARNING端口驅(qū)動(dòng)繼電器控制聲光報(bào)警器。

3.2 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖3　溫度檢測(cè)電路

測(cè)溫電路如圖3所示，采用采用PT100 溫度傳感器，該傳感器采用鉑熱電阻，當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)阻值為100 歐姆，阻值伴隨溫度正向增長(zhǎng)[2]。但是傳統(tǒng)的二線制PT100 ，溫度每升高一度，電阻將增大0.39 歐姆，由于測(cè)溫系統(tǒng)安裝原因往往需要測(cè)溫點(diǎn)的距離有所不同，所以PT100 的因?yàn)榫€本身有電阻導(dǎo)致線電阻差異，最終影響了測(cè)溫精度。因此本設(shè)計(jì)采用三線制PT100 ，使用時(shí)將一端接電源，另外兩端分別接電阻橋的橋臂上，這樣可以有效的補(bǔ)償線長(zhǎng)引起的測(cè)量誤差。另外，補(bǔ)償用的電壓基準(zhǔn)一定要準(zhǔn)確，因此本電路采用TI的電壓基準(zhǔn)芯片REF302 ,將3.3V轉(zhuǎn)2.5V，同時(shí)該橋的其他電阻用0.1%精度以提高電橋測(cè)量精度。由于PT100 接在一個(gè)橋臂上，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)引起電阻值變化，最終引起橋臂的輸出電壓PT1_S+~PT1_S-的變化，本設(shè)計(jì)采用儀表放大器AD8231 對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行64 倍放大處理，最終將模擬放大信號(hào)接到CPU的AD采樣接口PA6，完成電壓信號(hào)的模擬轉(zhuǎn)數(shù)字，然后在CPU中通過(guò)電壓值除以放大系數(shù)得到PT100 電阻上面的電壓，再利用分壓公式算出當(dāng)前PT100 電阻值，最終通過(guò)查表法得到溫度值。

3.3 濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

濕度傳感器使用HS1100 ，它是一種固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，也叫濕敏電容。其特性是電容值隨著空氣濕度的增大而增大，在0~100 %RH相對(duì)濕度范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)電容范圍從160 pf到200 pf[3]，因此本設(shè)計(jì)將通過(guò)NE555 定時(shí)器的2腳和6腳連接HS1100 ,通過(guò)R1和R3對(duì)其充電，通過(guò)電阻R3連接7腳對(duì)其放電，因此構(gòu)成一個(gè)典型的多諧振蕩器，其充電時(shí)間與電容值成正比，放電時(shí)間與電容值也成正比，因此最終輸出的方波周期與電容值成正比。所以HS1100 配合NE555 產(chǎn)生方波信號(hào)，當(dāng)濕度變化對(duì)應(yīng)電容發(fā)生變化，NE555 輸出方波的頻率隨之發(fā)生變化，因此可由處理器的定時(shí)器捕獲接口PA1來(lái)采集該信號(hào)的頻率，最終由頻率和濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的濕度值。

3.4 光照檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

光照度測(cè)量采用BH1750 傳感器，該光照度傳感器BH1750 是基于IIC總線，本設(shè)計(jì)將連接CPU對(duì)應(yīng)的I2C2接口PB10 和PB11 。當(dāng)發(fā)送“連續(xù)高分辨率模式”指令0x10 即可讀取數(shù)據(jù)，然后通過(guò)I2C接口讀取光照度數(shù)據(jù)。

3.5 無(wú)刷電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

無(wú)刷電機(jī)控制電路，采用H橋驅(qū)動(dòng)控制電路，電路如圖4所示，通過(guò)6個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管兩兩串聯(lián)，其中間公共端分別接三相直流無(wú)刷電機(jī)的三個(gè)相位輸入端U、V、W。其中Q1、Q2、Q3分別控制三相電流的流入，Q4、Q5、Q6分別控制三相電流的輸出。采用CPU的PWM控制引腳PB6、PB7、PB8分別接通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)應(yīng)PAT、PBT、PCT，IO引腳PA7、PB0、PB1連接H橋驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)應(yīng)橋式驅(qū)動(dòng)電路的下端PAB、PBB、PCB，通過(guò)CPU的PWM方式通過(guò)PAT、PBT、PCT來(lái)調(diào)整Q1、Q2、Q3的電流，通過(guò)PAT、PBT、PCT、PAB、PBB、PCB控制無(wú)刷電機(jī)換向和死區(qū)控制。

3.6 有害氣體檢測(cè)及報(bào)警的實(shí)現(xiàn)

有害氣體檢測(cè)采用多個(gè)工業(yè)級(jí)的專用探測(cè)器，檢測(cè)室內(nèi)的氮?dú)?、氨氣、亞硝酸氣體、乙烯、一氧化碳等有毒有害氣體，該類型探測(cè)器采用485總線接口的方式和CPU連接，CPU通過(guò)串口連接RS485電平轉(zhuǎn)換電路，獲取探測(cè)器的采集數(shù)據(jù)。報(bào)警功能是通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)工業(yè)級(jí)12V聲光報(bào)警器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該聲光報(bào)警能發(fā)出醒目的閃光和尖銳的聲音。當(dāng)氣體濃度超過(guò)用戶出廠設(shè)定的門限值時(shí)，結(jié)合軟件算法控制窗口電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，以快速的排出有害氣體，同時(shí)CPU驅(qū)動(dòng)繼電器啟動(dòng)聲光報(bào)警功能，提示室內(nèi)作業(yè)人員引起注意。

4 小結(jié)

溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，傳統(tǒng)溫室大棚普遍使用卷簾機(jī)來(lái)控制大棚內(nèi)的光照，對(duì)光照、溫度和濕度主要靠人工個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力而且非常不科學(xué)。本論文通過(guò)STM32系列處理器實(shí)現(xiàn)了大棚的溫度、濕度、光照的智能控制和有害氣體檢測(cè)報(bào)警，達(dá)到無(wú)人值守和精確管理的目的，為溫室大棚作業(yè)的效率提高和安全運(yùn)行提供了有力的保障。

[1]崔玉祥,趙亮,趙慧芳,等.日光溫室卷簾機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2019(04):50-51.

[2]王青.基于PT100的溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2019,27(09):47-50+56.

[3]冷芳,裴洲奇.基于濕敏電容HS1101的環(huán)境濕度傳感器RHS01的設(shè)計(jì)[J].焦作大學(xué)學(xué)報(bào),2017,31(02):73-75.

TP273.5

C

2095-1205(2019)09-46-03

10.3969/j.issn.2095-1205.2019.09.25