河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 李磊 梁潤(rùn)東 丁新飛 儲(chǔ)相龍 谷偉樂(lè) 李朝亮

1 制作方案

1.1 比較與選擇

1.1.1 單片機(jī)型號(hào)選擇

微型植物工廠采用STM32F103RCT6 單片機(jī)，該單片機(jī)為ARM 架構(gòu)，具備成熟的開(kāi)發(fā)生態(tài)環(huán)境應(yīng)用廣泛，時(shí)鐘頻率72Mhz，必要情況下可超頻，擁有多個(gè)硬件IIC、SPI 和UART 通訊端口以及八個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，功耗低。

1.1.2 傳感器選擇

空氣溫濕度傳感器SHT20，該傳感器，通過(guò)內(nèi)部MCU 將獲取到的空氣溫濕度數(shù)值進(jìn)行處理濾波然后以IIC 通訊方式將數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式直接上傳到單片機(jī)，土壤溫濕度傳感器以串口通訊的方式，115200 的波特率與單片機(jī)進(jìn)行通訊，將土壤溫濕度數(shù)據(jù)上傳單片機(jī)，光照強(qiáng)度OPT101 傳感器，具備集成的硬件運(yùn)算放大濾波電路，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)?- 3.3V 的模擬量，再通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部12 位ADC 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，可得出實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，以上三個(gè)傳感器具備低功耗、使用廣泛、工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

1.1.3 電機(jī)控制器選擇

本系統(tǒng)需要水泵對(duì)土壤進(jìn)行補(bǔ)水，風(fēng)扇對(duì)工廠內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)，所以選擇廉價(jià)的L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其控制精度滿足本系統(tǒng)要求，且輸出功率可達(dá)36W，反應(yīng)速度快，控制邏輯簡(jiǎn)單，可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.1.4 電源的設(shè)計(jì)

微型植物工廠采用太陽(yáng)能電池板、可充電鋰電池和12V 直流電源進(jìn)行供電，三部分電源設(shè)計(jì)其優(yōu)點(diǎn)在于，天氣狀況良好的情況下，太陽(yáng)能電池板可保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)給鋰電池進(jìn)行充電，在陰天的時(shí)候鋰電池進(jìn)行工作，若持續(xù)陰雨天氣，可接市電進(jìn)行工作，由于一天之中太陽(yáng)光光強(qiáng)的變化，太陽(yáng)能電池板輸出的電壓波動(dòng)變化幅度較大，采用升壓再降壓穩(wěn)壓電路，既保證輸出電壓穩(wěn)定在12V 輸出電流滿足系統(tǒng)最大功率運(yùn)行，在夜間太陽(yáng)能電池板不能提供電源的時(shí)候，此時(shí)使用單片機(jī)內(nèi)部ADC 附加外部電路對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)，太陽(yáng)能電池板發(fā)電電壓低于9V 后切斷太陽(yáng)能電池板的供電，采用鋰電池或者市電進(jìn)行供電，保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。

1.1.5 顯示模塊選擇

使用7 引腳封裝的OLED128*64 屏幕，其采用SPI 的通訊方式，具有極快的刷新速度，低功耗運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)工作穩(wěn)定。

1.1.6 電路設(shè)計(jì)

控制部分和傳感器供電電源部分使用7805 三端穩(wěn)壓芯片將12V 直流降壓為穩(wěn)定的5V 電壓，5V 電壓在負(fù)責(zé)給土壤溫濕度傳感器進(jìn)行供電的同時(shí)，再通過(guò)兩片AMS1117- 3.3V 并聯(lián)穩(wěn)壓負(fù)責(zé)給單片機(jī)、SHT20、OPT101 以及OLED 屏幕進(jìn)行供電，因?yàn)锳MS1117- 3.3V 額定輸出電流為500mA，不能滿足后期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)增加功能的要求，所以采用并聯(lián)的方式提供足夠供電能力。

1.1.7 電機(jī)選擇

水泵電機(jī)選擇常用直流12V385 有刷電機(jī)，該電機(jī)內(nèi)阻小，減速組損耗低工作運(yùn)行穩(wěn)定，風(fēng)扇選擇9cm*9cm 12V 6W 散熱扇，價(jià)格便宜，該系列風(fēng)扇常用作電腦散熱扇因此運(yùn)行穩(wěn)定使用時(shí)間長(zhǎng)。

2 設(shè)計(jì)思路及工作原理

基于太陽(yáng)能供電的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)采用了三電源供電方式，保證系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，以SHT20，土壤溫濕度傳感器、OPT101 對(duì)影響植物生長(zhǎng)狀況的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)STM32 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行冒泡法濾波處理，將各項(xiàng)參數(shù)與之前設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，通過(guò)定時(shí)器輸出PWM對(duì)通風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，應(yīng)用PID 算法對(duì)室內(nèi)空氣加熱棒進(jìn)行控制，和實(shí)時(shí)光照補(bǔ)充，以及I/O 口輸出高低電平控制8050NPN 行三極管導(dǎo)通和截止再由三極管控制繼電器，三極管對(duì)水泵進(jìn)行開(kāi)關(guān)，這里的不采用I/O 直接控制繼電器，防止使用過(guò)程中電機(jī)或者繼電器出現(xiàn)故障反向電壓擊穿單片機(jī)。

3 理論分析與軟件設(shè)計(jì)

3.1 算法濾波

3.1.1 冒泡法濾波

冒泡法是目前最常用的效率較高的數(shù)據(jù)初步處理方法，程序設(shè)計(jì)中采用冒泡法對(duì)空氣溫濕度數(shù)據(jù)、土壤溫室度數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，十個(gè)一組進(jìn)行冒泡法排序，去掉十個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值最小值，然后再求剩余八組數(shù)據(jù)的平均值，優(yōu)點(diǎn)在于：本身數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器內(nèi)部電路進(jìn)行處理就比較穩(wěn)定，再上傳到單片機(jī)進(jìn)行冒泡法排序?yàn)V波得到的數(shù)據(jù)更加接近于此時(shí)環(huán)境的真實(shí)狀態(tài)，且冒泡法排序占用單片機(jī)資源少，算法簡(jiǎn)單效率高，不會(huì)影響系統(tǒng)的反應(yīng)速度，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力，且經(jīng)過(guò)濾波后增加了系統(tǒng)的使用壽命，消除了數(shù)據(jù)出現(xiàn)的波峰和波谷。

3.1.2 PID 算法

微型植物工廠顧名思義最重要的就是像工廠一樣持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，該系統(tǒng)采用基于單片機(jī)系統(tǒng)的PID 算法，PID 分別為比例、微分、積分，比例保證了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，I、D 共同決定了系統(tǒng)的運(yùn)行精度，該算法保證工廠內(nèi)部各項(xiàng)環(huán)境維持在植物生長(zhǎng)最佳范圍內(nèi)，其中對(duì)風(fēng)扇風(fēng)速的控制采用PD 算法其優(yōu)勢(shì)在于反應(yīng)速度快，且與SHT20 傳感器組成閉環(huán)控制，保證室內(nèi)空氣濕度在可控范圍內(nèi)，加熱棒采用PI 算法進(jìn)行控制，雖然PI 算法的反應(yīng)速度較PD 慢，但是其控制精度高，能保證植物始終處于最佳生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)。光強(qiáng)控制方面直接采用比例算法與OPT101 反饋的光強(qiáng)數(shù)據(jù)形成閉環(huán)控制，保證植物的光合作用處于最高效的狀態(tài)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分：OLED 屏幕底層驅(qū)動(dòng)程序搭建、單片機(jī)定時(shí)器配置程序搭建、軟件IIC、軟件SPI 和硬件串口通訊配置程序搭建、SHT20 和土壤傳感器配置程序搭建、單片機(jī)內(nèi)部12 位ADC 配置程序搭建、單片機(jī)看門狗底層配置設(shè)計(jì)，看門狗用于運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)視程序狀態(tài)，系統(tǒng)出現(xiàn)異常，停止程序運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重啟，如果重啟后再次出現(xiàn)錯(cuò)誤，將報(bào)警通知技術(shù)員解決。

底層代碼采用HAL 庫(kù)進(jìn)行編寫，HAL 庫(kù)是ST 公司推出的目前在STM32 系列單片機(jī)上廣泛應(yīng)用的固件庫(kù)，對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器包括定時(shí)器、I/O 口、串口、A/D 轉(zhuǎn)換初始化、看門狗配置初始化可直接采用官方退出的CubeMX 進(jìn)行圖形化配置，其底層代碼邏輯性強(qiáng)、可讀性高、可移植性強(qiáng)，節(jié)省了大量的底層軟件設(shè)計(jì)時(shí)間，在底層代碼搭建完成后，參照網(wǎng)上Github、CSDN 等諸多電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)開(kāi)源資料，對(duì)上層邏輯控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試。

4 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)模型分成四部分：第一部分為歐標(biāo)2020 鋁型材搭建50cm*30cm*40cm 框架，框架之間以亞克力板作為透明擋板，既可以直接觀察植物的生長(zhǎng)狀況；第二部分為核心控制部分，采用自行設(shè)計(jì)PCB 板構(gòu)建，PCB 上包括單片機(jī)、空氣溫濕度傳感器SHT20、土壤溫濕度傳感器、穩(wěn)壓模塊、顯示屏幕等；第三部分為電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：包括IRF3205 大功率MOS 管、8050NPN型三極管、L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，風(fēng)扇、水泵；第四部分為電源部分：其中包括太陽(yáng)能電池板、12V 可充電鋰電池、市電轉(zhuǎn)12V 穩(wěn)壓直流電源。

5 總結(jié)

經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，本文中基于太陽(yáng)能供電的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)方案可行，且工作運(yùn)行穩(wěn)定，以ARM 架構(gòu)的32 位單片機(jī)為控制核心的結(jié)合各種傳感器構(gòu)成了該系統(tǒng)。能夠在模型內(nèi)部空氣溫度升高的時(shí)候，及時(shí)打開(kāi)通風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降溫，在土壤含水量低于閾值時(shí)打開(kāi)水泵，進(jìn)行滴灌，在外界溫度降低時(shí)，加熱棒和通風(fēng)扇結(jié)合共同維持系統(tǒng)的溫度處于植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳范圍，并隨著外界光強(qiáng)的變化，模型內(nèi)的LED 燈通過(guò)單片機(jī)對(duì)占空比的調(diào)整達(dá)到控制補(bǔ)光的效果，使植物處于最佳的光合作用狀態(tài)。該系統(tǒng)硬件可靠耐用，軟件全面能自我調(diào)整，整體適應(yīng)性強(qiáng)。