左志宇，卓敏敏，毛罕平，譚 潔，唐學(xué)平，張文忠，趙 常

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇白雪電器股份有限公司，江蘇 蘇州 215500)

0 引言

近年來，由于生態(tài)環(huán)境惡化、自然災(zāi)害頻繁、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方式生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)成本高，使得農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著新的挑戰(zhàn)。因此，如何利用設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)以最少的能源、原料和人力進(jìn)行高品質(zhì)植物的大規(guī)模生產(chǎn)將是設(shè)施農(nóng)業(yè)研究的主要方向[1-2]。

作為科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，植物工廠應(yīng)運(yùn)而生。植物工廠( Plant Factory)的概念最早是由日本提出來的，根據(jù)日本植物工廠學(xué)會的解釋，植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，受到各國的普遍關(guān)注[3-5]；但植物工廠體積龐大，能耗較高，操作不方便，不適合家庭使用。微型植物工廠將植物工廠技術(shù)進(jìn)一步濃縮，集成在一個冰箱大小的密閉環(huán)境里，通過智能自動控制系統(tǒng)控制作物生長的環(huán)境，為其提供適宜的光照、溫度、濕度條件及成分配比合理的營養(yǎng)液等[6-8]。這種高端栽培模式的興起，使蔬菜生產(chǎn)、消費(fèi)零距離，不僅提供綠色無公害的蔬菜，為城市居民生活帶來極大方便，而且可以降低室內(nèi)二氧化碳、增加氧氣，也可以作為綠色裝飾，美化家居，增添了居民的生活樂趣[9-10]。

設(shè)計合理高效的控制系統(tǒng)，使其內(nèi)部作物始終處于適宜的生長環(huán)境，是微型植物工廠研制的關(guān)鍵所在。為此，設(shè)計了一款基于嵌入式平臺的智能控制系統(tǒng)，以STM32F407單片機(jī)為核心，采用LCD液晶屏和獨立按鍵進(jìn)行人機(jī)交互，為作物生長提供適宜的生長環(huán)境。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由基于STM32F407單片機(jī)的主控單元和基于STC單片機(jī)的執(zhí)行單元組成。主控單元主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設(shè)置、控制決策、超限報警、與執(zhí)行單元之間的信息交互、與遠(yuǎn)程控制端的無線通信等功能，包括微控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊、攝像頭模塊、存儲模塊、報警模塊、通信模塊及網(wǎng)絡(luò)模塊等；執(zhí)行單元主要實現(xiàn)與主控單元的通信和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括壓縮機(jī)、加熱板、風(fēng)機(jī)及進(jìn)水閥等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

微型植物工廠控制系統(tǒng)工作原理：

1)LCD19264液晶屏和獨立式鍵盤作為人機(jī)交互模塊，實現(xiàn)微型植物工廠系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和顯示、執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)查看和設(shè)置；

2)數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的環(huán)境信息輸送至主控制器進(jìn)行處理，根據(jù)調(diào)控策略，確定相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，通過RS485總線發(fā)送到執(zhí)行單元，經(jīng)過隔離放大，驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作；

3)采用OV2640攝像頭監(jiān)控作物，系統(tǒng)定時獲取照片發(fā)送至遠(yuǎn)程控制端；

4)網(wǎng)絡(luò)通信采用ESP8266串口轉(zhuǎn)WIFI網(wǎng)絡(luò)模塊，實現(xiàn)微型植物工廠與遠(yuǎn)程控制端的數(shù)據(jù)傳輸。

2 控制系統(tǒng)硬件

2.1 微控制器模塊

主控單元的主控制器選用STM32F407ZGT6單片機(jī)。該芯片集成 FPU 和 DSP 指令，工作頻率達(dá)168MHz，具有 192、1024kb FLASH，以及I2 C、 SPI、 USART、DMA、FSMC、 SDIO 、DCMI等接口模塊[11]，能滿足系統(tǒng)的工作要求。

執(zhí)行單元選用宏晶公司STC系列STC89C54RD+芯片。該芯片是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，工作頻率達(dá)80MHz，內(nèi)部包括16kB的Flash程序存儲器ROM、1kB的數(shù)據(jù)存儲器RAM，能夠滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動要求。

2.2 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊包含液晶屏和按鍵兩個部分。液晶屏選用19264并行LCD，用于顯示系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)、作物信息、環(huán)境檢測信息、系統(tǒng)工作狀態(tài)和系統(tǒng)時間等；按鍵采用獨立按鍵，包括功能菜單鍵、確認(rèn)退出鍵、左鍵、右鍵、上鍵和下鍵等6個按鍵。主要完成的功能如下：

1)設(shè)置環(huán)境因子、時間等參數(shù)；

2)選擇作物的種類、工作模式；

3)查看執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括溫濕度傳感器、液位傳感器和圖像傳感器。

溫濕度傳感器選用AM2302數(shù)字溫濕度傳感器。這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,包括電容式感濕元件和 DS18B20 感溫器件,并與高性能 8 位單片機(jī)相連接,采樣信息以串行通信方式傳輸。

液位傳感器采用側(cè)裝式浮球開關(guān)，利用浮球內(nèi)的磁鐵吸引磁簧開關(guān)的閉合，產(chǎn)生開關(guān)動作；浮球位置隨營養(yǎng)液液面高度變化，從而起到檢測液位的功能。

圖像傳感器采用OmniVision公司OV2640芯片，這是一顆 1/4 寸的 CMOS UXGA( 1632*1232)圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，通過SCCB總線控制，支持圖像壓縮，可通過STM32F4自帶的數(shù)字?jǐn)z像頭(DCMI)接口輸出JPEG圖像數(shù)據(jù)流。由于傳感器本身接口比較復(fù)雜，本系統(tǒng)選用成型的OV2640攝像頭模塊來對微型植物工廠內(nèi)部的植株生長情況進(jìn)行記錄。

2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊用于實現(xiàn)微型植物工廠內(nèi)部的遠(yuǎn)程監(jiān)控和通信。本系統(tǒng)選用ESP8266串口WiFi模塊。ESP8266是樂鑫公司生產(chǎn)的低功耗WIFI芯片，內(nèi)置32位CPU，支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧和IEEE802.11協(xié)議棧，能夠獨立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其它主機(jī)MCU運(yùn)行。模塊支持3種工作模式，可快速構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸方案，接入互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù),滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。實物如圖2所示。

圖2 ESP8266模塊

配置ESP8266芯片工作在Station模式，VCC、GND、UTXD和URXD 4個引腳和STM32F407單片機(jī)相應(yīng)引腳連接，電路原理如圖3所示。STM32F407通過串口與ESP8266通信，處理接收到的指令數(shù)據(jù)。當(dāng)微型植物工廠設(shè)定參數(shù)或者設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)生改變時，STM32F407單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP8266，ESP8266轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器；如果用戶或?qū)＜彝ㄟ^手機(jī)端或電腦端對微型植物工廠進(jìn)行控制，將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP8266，ESP8266轉(zhuǎn)發(fā)到STM32F407單片機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)的指令操作，實現(xiàn)對微型植物工廠內(nèi)部的遠(yuǎn)程決策和托管服務(wù)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模塊電路圖

2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動模塊

微型植物工廠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括降溫設(shè)備、加熱設(shè)備、內(nèi)空氣循環(huán)設(shè)備、營養(yǎng)液循環(huán)設(shè)備、換新風(fēng)設(shè)備及補(bǔ)光設(shè)備等。

降溫設(shè)備由壓縮機(jī)與散布在機(jī)器內(nèi)表面的冷凝管及兩側(cè)的風(fēng)機(jī)等構(gòu)成。壓縮機(jī)放置在機(jī)器的底部；加溫設(shè)備由3塊加熱板構(gòu)成，放置于機(jī)器的左側(cè)；內(nèi)空氣循環(huán)設(shè)備為3個內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)，放置于每層栽培區(qū)的左側(cè)；營養(yǎng)液循環(huán)設(shè)備包括水泵、3個進(jìn)水閥(放置于箱體左側(cè))、水消毒紫外燈管(放置于箱體左側(cè))和3個出水閥(放置于箱體右側(cè))；換新風(fēng)設(shè)備由增氧泵和空氣消毒紫外燈管組成，分別放置在機(jī)器的底部和左側(cè)；補(bǔ)光設(shè)備為紅藍(lán)配比5:1的LED生長燈，每層栽培區(qū)頂部放3支，共9支。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)和功能如表1所示。

表1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)和功能描述

執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用開關(guān)量控制。由于STM32F407單片機(jī)的GPIO口不能直接驅(qū)動設(shè)備，故在GPIO口與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間增加光耦、達(dá)林頓驅(qū)動電路和繼電器，利用光耦隔離強(qiáng)電設(shè)備在啟動和關(guān)閉過程中電流波動對系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的影響；達(dá)林頓驅(qū)動電路增強(qiáng)GPIO口輸出信號，驅(qū)動繼電器，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

3 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法，各模塊之間既相互獨立，又協(xié)同工作?？刂茊卧浖钦麄€微型植物工廠控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成環(huán)境參數(shù)的實時顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)信息采集、智能控制、超限報警及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；?zhí)行單元軟件完成與控制單元的信息交互和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.1 人機(jī)交互設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)沒有進(jìn)行按鍵操作時，LCD19264主界面會循環(huán)顯示作物名稱、種植顆數(shù)、當(dāng)前溫濕度、工作模式、設(shè)定溫濕度及當(dāng)前工作狀態(tài)等信息；當(dāng)系統(tǒng)的功能菜單鍵被按下，液晶屏進(jìn)入功能選擇界面，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置、作物信息設(shè)置、控制參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)信息設(shè)置4個選項，分別點擊4個選項可進(jìn)入相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置界面，通過點擊系統(tǒng)的確認(rèn)退出鍵返回到上一層界面。系統(tǒng)人機(jī)交互界面的主框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)人機(jī)交互界面主框圖

3.2 基于Modbus RTU協(xié)議的RS485總線通信軟件設(shè)計

Modbus協(xié)議物理層選用RS485標(biāo)準(zhǔn)，采用一對一主從方式。主控單元作為主機(jī)，執(zhí)行單元作為從機(jī)，使用Modbus03(讀取保持寄存器)和16(預(yù)置多寄存器)功能碼。系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)幀：

1)查詢執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)。

主機(jī)發(fā)送：01 03 00 00 00 02 C4 0B

從機(jī)響應(yīng)：01 03 04 00 00 00 00 FA 3

2)發(fā)送執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令。

主機(jī)發(fā)送：01 10 00 02 00 02 00 01 00 01 26 02

從機(jī)響應(yīng)：01 10 00 02 00 02 E0 08

以執(zhí)行單元為例，系統(tǒng)通信過程可簡單描述為：程序開始運(yùn)行后，初始化串口，設(shè)置通信參數(shù)；程序初始化完成后，不停地查詢是否有接收中斷，同時在主函數(shù)中調(diào)用串口通信處理函數(shù)。執(zhí)行單元串口通信處理函數(shù)軟件流程如圖5所示。

3.3 網(wǎng)絡(luò)模塊軟件設(shè)計

3.3.1 遠(yuǎn)程通信流程

當(dāng)遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備把需要傳遞的命令通過Internet和WiFi發(fā)送給ESP8266芯片，ESP8266芯片把WiFi信號轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)，發(fā)送給STM32F407單片機(jī)；STM32F407單片機(jī)根據(jù)接收到的指令數(shù)據(jù)執(zhí)行相關(guān)操作，并且在執(zhí)行完畢后把需要反饋的信息發(fā)送至ESP8266芯片，ESP8266芯片把串口信號轉(zhuǎn)換成WiFi信號，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備。

3.3.2 無線通信協(xié)議制定

微型植物工廠內(nèi)包含多種控制信息，必須通過標(biāo)記才能區(qū)別不同的控制命令。因此既要保證系統(tǒng)有效地完成數(shù)據(jù)傳輸，又要保證參數(shù)設(shè)置功能、控制功能等系統(tǒng)功能實現(xiàn)，需要相應(yīng)的通信協(xié)議進(jìn)行規(guī)范。協(xié)議格式如表2所示，控制信息類型及功能數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

圖5 執(zhí)行單元串口通信處理程序流程圖

表2 無線通信協(xié)議格式

表3 控制信息類型及功能數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系

通信協(xié)議中不同字段用#分割，沒有數(shù)據(jù)的字段補(bǔ)0，最后以$結(jié)尾。比如：#01#00#01#01#3600#$，含義為打開通道1對應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并讓其維持打開狀態(tài)3 600s。

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)通信中，微控制器STM32F407單片機(jī)接收遠(yuǎn)程控制終端傳來的指令，執(zhí)行相關(guān)操作，并將反饋信息回傳給遠(yuǎn)程控制終端。系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)發(fā)生改變時，及時將改變后的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程控制終端。

在程序設(shè)計中，首先初始化串口設(shè)置參數(shù)，接著查詢是否有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收中斷。在有接收中斷的時候，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時在控制單元主函數(shù)中調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信處理函數(shù)，在該函數(shù)中對接收到的信號進(jìn)行判斷，完成相應(yīng)的操作。程序流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)處理程序流程圖

3.4 環(huán)境控制策略

本控制系統(tǒng)中包括溫濕度控制、營養(yǎng)液循環(huán)、換新風(fēng)、栽培區(qū)補(bǔ)光、育苗室澆水與補(bǔ)光等控制策略，在此以溫度控制及營養(yǎng)液循環(huán)控制策略為例進(jìn)行介紹。

3.4.1 溫度控制策略

微型植物工廠溫度控制包括制冷和加熱兩種模式。STM32F407單片機(jī)通過AM2302采集植物工廠內(nèi)部的溫度信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，然后將溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，決定當(dāng)前微型植物工廠內(nèi)部溫度控制模式。軟件流程如圖7所示。

圖7 溫度控制模式選擇流程圖

3.4.2 營養(yǎng)液循環(huán)控制策略

本系統(tǒng)采用營養(yǎng)液栽培技術(shù)，營養(yǎng)液循環(huán)方式采取3層集中定時提供營養(yǎng)液，即每層營養(yǎng)液供應(yīng)周期相同，但每層的營養(yǎng)液流量及浸泡時間可單獨控制。

營養(yǎng)液循環(huán)的具體工作流程分為7個步驟：下層營養(yǎng)液輸入、中層營養(yǎng)液輸入、上層營養(yǎng)液輸入、浸泡時間、下層營養(yǎng)液排出、中層營養(yǎng)液排出和上層營養(yǎng)液排出。

為了防止在營養(yǎng)液循環(huán)周期中意外斷電，導(dǎo)致系統(tǒng)當(dāng)前循環(huán)周期沒有結(jié)束便等待下個循環(huán)周期的到來，在程序中定義2個單字節(jié)變量，即營養(yǎng)液循環(huán)進(jìn)程標(biāo)志(NSCProgressFlag)和營養(yǎng)液相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)標(biāo)志(NSCDriverStateFlag)，分別用來保存營養(yǎng)液循環(huán)進(jìn)程和營養(yǎng)液相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)，并將其即寫入到AT24C08存儲芯片中；待系統(tǒng)再次上電后，MCU先從AT24C08中讀取NSCProgressFlag和NSCDriverStateFlag的值，恢復(fù)斷電之前的營養(yǎng)液循環(huán)進(jìn)程狀態(tài)及水泵、進(jìn)水閥、出水閥等相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，再調(diào)用營養(yǎng)液循環(huán)函數(shù)，完成系統(tǒng)掉電之前的循環(huán)周期。

4 性能試驗

4.1 試驗設(shè)計

通過生菜種植試驗對微型植物工廠智能控制系統(tǒng)性能進(jìn)行測試。試驗中，溫度設(shè)置為白天 23℃、夜間 18℃；3層栽培層光照環(huán)境相同，均為紅藍(lán)光配比為5：1的LED生長燈，且光周期和暗周期相等，均為12h；營養(yǎng)液循環(huán)方式采取3層集中定時提供營養(yǎng)液。試驗中的微型植物工廠如圖8所示。

圖8 試驗中的微型植物工廠

4.2 結(jié)果分析

微型植物工廠智能控制系統(tǒng)在生菜種植性能測試過程中，主控單元和執(zhí)行單元均運(yùn)行穩(wěn)定，各部分功能均能實現(xiàn)。限于篇幅，下面僅以2017年12月21日10：00-17:00的溫度數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。微型植物工廠內(nèi)各層溫度變化曲線如圖9所示。

圖9 溫度變化曲線

由圖9可以看出：升溫模式中，微型植物工廠內(nèi)溫度變化分為上升時期和溫度保持時期。在溫度保持時期，上層和中層的溫度基本相同，稍高于下層溫度，上層、中層和下層溫度的平均控制誤差分別為0.3、0.2、0.9℃，能滿足常見作物的生長要求。

在整個試驗生長周期內(nèi)，生菜生長狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)生長停滯、徒長、葉片萎靡不振及根部腐爛等現(xiàn)象，表明該微型植物工廠智能控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可以為作物提供良好的生長環(huán)境。

5 結(jié)論

為保證微型植物工廠內(nèi)部作物處于適宜的生長環(huán)境，設(shè)計了一種基于嵌入式平臺的微型植物工廠智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件上采用高性能的 STM32F407 芯片作為主控制器，以LCD19264液晶屏加獨立按鍵作為人機(jī)交互設(shè)計，在降低研制成本的同時，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；軟件上對溫度、營養(yǎng)液循環(huán)、補(bǔ)光、換新風(fēng)等均制定了合理的控制策略，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性。經(jīng)試驗驗證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，作物生長狀態(tài)良好。