穆元杰 趙慶柱 尚明華 李喬宇 劉淑云 王富軍

摘要 針對溫室卷簾控制智能化程度低的現(xiàn)狀，提出了一種基于時光雙控的智能卷簾控制器。該控制器以時間與光照強度作為決策依據(jù)，實現(xiàn)卷簾器的智能控制，有效解決了卷簾被過卷問題，并提供了一種無人看守的卷簾智能控制方法。驗證試驗表明，基于時光雙控的溫室卷簾智能控制器系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能可靠。

關(guān)鍵詞 溫室;卷簾機;控制器

中圖分類號 S-220;TP-391? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）22-0209-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.053

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Design of Intelligent Controller for Greenhouse Roller Shutter Based on Dual-parameter Control of Time and Light Intensity

MU Yuan-jie，ZHAO Qing-zhu，SHANG Ming-hua et al

（Institute of Agricultural Information and Economics， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan， Shandong? 250100）

Abstract In view of the low intelligent control degree of greenhouse roller shutter， this paper proposed an intelligent rolling controller based on the dual-parameter control of time and light intensity. The controller used time and light intensity as the decision-making basis to realize intelligent control of the roller shutter machine. The controller effectively solved the problem of over-rolling the roller blind， and provided an unattended intelligent control method for the roller blind. The verification experiment showed that the intelligent controller for greenhouse roller shutter based on the dual-parameter control of time and light intensity worked? stably and had a reliable performance.

Key words Greenhouse;Roller shutter;Controller

日光溫室產(chǎn)業(yè)作為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的主體，解決了長期困擾我國北方地區(qū)冬季的蔬菜淡季供應(yīng)問題[1]。隨著生活水平的不斷提高，冬季人們對新鮮蔬菜的需求量不斷增加，極大地促進了日光溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日光溫室具有透光、保溫的特點，白天通過日光使溫室內(nèi)保持一定溫度，夜晚依靠保溫被保暖。日光溫室的特點決定著必須進行保溫被的卷放作業(yè)[2-3]?，F(xiàn)階段保溫被的卷放作業(yè)已由人力收放作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^卷簾機完成[4]。卷簾機的廣泛使用不僅節(jié)約了人力，而且讓卷簾作業(yè)控制方式更加多樣化、智能化。

目前卷簾機控制方式大多采用倒順開關(guān)控制、機械限位控制、延時控制以及智能控制技術(shù)[5]。崔玉祥等[6]提出了一種定時控制的日光溫室卷簾機控制器，同時提出了一種通過溫室內(nèi)外光強、溫度差控制的智能卷簾機控制器，該控制器通過延時控制來防止過卷[7];裴雪等[8]提出了一種基于溫光耦合模型的智能溫室卷簾機控制設(shè)備，并通過安裝紅外對射限位開關(guān)防止過卷;曹瑞紅等[9]提出了一種日光溫室卷簾及通風(fēng)口控制系統(tǒng)，并安裝機械限位方式來防止卷簾棉被過卷問題;石建業(yè)等[10]提出了一種通過定時方式自動控制卷簾升降控制器，并通過安裝限位開關(guān)來防止過卷。卷簾機的智能控制中多以溫度、光照強度為參數(shù)，通過設(shè)置閾值方式進行控制，該方式多存在誤動作問題;在防過卷問題上，大多采用延時控制及機械限位2種方式，延時控制方式不能解決電機打滑帶來的誤差以及中途停止無法繼續(xù)自動控制問題，機械限位方式經(jīng)常壓不到或碰不上限位開關(guān)[5]。

為解決當前卷簾機控制存在的問題，筆者提出了一種基于時光雙控的卷簾機智能控制器。該控制器通過時間與光照雙重方式實現(xiàn)卷簾機防過卷及智能控制。

1 控制器總體方案設(shè)計

所謂時光雙控即利用時間與光照強度2個參數(shù)實現(xiàn)對卷簾器的控制。在智能控制方面通過設(shè)置升降卷簾（被）時間及光照強度閾值實現(xiàn)卷簾器的自動控制;在防過卷方面，利用光照強度傳感器替代傳統(tǒng)的機械限位器，通過在溫室上下兩端安裝的光照強度傳感器的數(shù)值跳變監(jiān)測卷簾升降是否到達上下兩端，同時增加升降過程中運行時間參數(shù)避免光強傳感器出現(xiàn)問題導(dǎo)致過卷以及電機打滑帶來的無法升卷簾但電機無法停止工作問題。基于時光雙控的溫室卷簾智能控制器由智能控制模塊、STM32主控制器、光照傳感器、交流接觸器模組、電源模塊等部分組成，具體拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能控制模塊主要實現(xiàn)人機交互、與云平臺及STM32主控制器通信功能;STM32主控制器主要用于傳感器數(shù)據(jù)的采集、傳輸，接收智能控制模塊傳來的控制命令控制卷簾機進行相應(yīng)動作;交流接觸模實現(xiàn)卷簾機工作方向選擇控制;電源模塊為各個模塊提供電能。

2 控制器硬件方案設(shè)計

2.1 智能控制模塊

智能控制模塊采用昆侖通泰TPC7062Ti觸摸屏。TPC7062Ti是以Cortex-A8 CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，數(shù)據(jù)處理能力強大;同時，它擁有7英寸TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），并預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，可實現(xiàn)良好的人機交互功能。智能控制模塊TPC7062Ti通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與云平臺間的數(shù)據(jù)通信，并通過USB接口實現(xiàn)與STM32主控器的數(shù)據(jù)交互。

2.2 STM32主控器

主控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103系列單片機，工作頻率72 MHz，單片機配套電路制造成PCB形式電路板。STM32主控器電路擁有電源連接口、2個交流接觸器輸出口，4路485接口。主控器與3路光照強度傳感器（JXBS-3001-GZ型號）通過1路485接口采用MODBUS通訊協(xié)議通訊，3路光照強度傳感器包括一路上限位光照傳感器、一路下限位光照傳感器和一路外部光照傳感器，分別安裝于溫室的內(nèi)側(cè)頂部、內(nèi)側(cè)底部和外部無遮擋處，其高度可根據(jù)卷軸位置、棚內(nèi)作物特點或當?shù)厝照战嵌鹊褥`活設(shè)定。主控器與交流接觸器（CJX2-1810）模組通過交流接觸器輸出口連接，并實現(xiàn)卷簾機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制。具體硬件設(shè)計如圖2所示。

2.3 電源模塊

電源輸入為三相380 V交流電，卷簾電機為三相交流電機，根據(jù)輸出相序的不同，控制卷簾電機轉(zhuǎn)向不同從而實現(xiàn)卷簾放簾。通過電源轉(zhuǎn)換模塊（香港明緯D-120C）轉(zhuǎn)換為24 V直流電壓為STM32主控器、TPC7062Ti觸摸屏供電。熱繼電器（震康JR28系列）的主要作用是在電流過大時自動斷電，熱繼電器和空氣開關(guān)（德力西微型斷路器HDBE634C10）形成了雙重過電流保護機制。

3 控制器軟件方案設(shè)計

3.1 智能控制模塊軟件設(shè)計

智能控制模塊通過MCGS組態(tài)軟件編寫上位機界面，該模塊主要實現(xiàn)人機交互，決策控制，與云平臺、主控器間通信三部分功能。

3.1.1 人機交互界面主要包括主界面、系統(tǒng)設(shè)置界面兩部分。主界面中顯示卷簾狀態(tài)以及手動控制按鍵（手動控制卷簾收簾、放簾與停止）;系統(tǒng)設(shè)置界面中可對收/放簾運行時間、上下光照強度限位閾值進行設(shè)置，同時顯示工作運行中故障（如收/放簾不到位或過卷）。主控器卷簾控制信息配置界面如圖3所示。

3.1.2 決策控制功能。決策控制主要包括時光自動控制決策、云平臺控制決策以及手動按鍵控制決策三部分。①時光自動控制決策。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置中設(shè)置的收/放簾時間及收/放簾滿足的光照強度閾值、外部光照傳感器數(shù)值自動生成控制決策信號;同時，查詢當前的卷簾狀態(tài)，若狀態(tài)滿足調(diào)控則發(fā)送控制信號至STM32主控器。以收簾為例，系統(tǒng)設(shè)置收簾時間為08：00，同時設(shè)置的收簾光照閾值為3 000 lx，若二者同時滿足，則系統(tǒng)會查詢卷簾的狀態(tài)是否為已放簾，若是則向主控制器發(fā)送收簾指令;若二者同時滿足，但卷簾已經(jīng)通過云平臺或手動控制已經(jīng)收起，則系統(tǒng)默認不會再次發(fā)送控制指令。② 云平臺控制及手動按鍵控制決策：云平臺下發(fā)控制指令及手動按鍵發(fā)送控制指令后，系統(tǒng)如同時光自動控制決策中的描述，只有當卷簾當前狀態(tài)滿足控制條件，才可以向STM32主控制器發(fā)送控制指令。

3.1.3 通信功能。①與云平臺通信功能。接收云平臺下發(fā)的卷簾控制指令;卷簾機以時光控制自動控制或是手動按鍵方式、云平臺控制時，智能控制器會將卷簾狀態(tài)同步上傳至云平臺。②與STM32主控器通信。智能控制模塊會將卷簾控制信息下發(fā)至主控器，同時接收主控器反饋的卷簾控制開始、停止信息以及卷簾控制狀態(tài)、故障信息;智能控制模塊對卷簾控制信息配置時，會將收簾時間上限、放簾時間上限、上限位閾值、下限位閾值發(fā)送至主控器;主控器會實時向智能控制模塊上傳外部光照傳感器數(shù)值。

3.2 STM32主控器軟件設(shè)計

STM32主控器軟件首先實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的獲取功能：通過定時輪詢的方式獲取3個光照強度傳感器的數(shù)據(jù)，并將外部光照強度傳感器的數(shù)值上傳至智能控制模塊。有串口數(shù)據(jù)到達時，判斷數(shù)據(jù)為配置信息還是控制指令。若為配置信息，則將其存儲在EEPROM中;若為控制指令，則根據(jù)具體指令發(fā)送開始收/放簾控制信號。信號發(fā)送后，首先判斷是否達到時間閾值條件，若達到條件則說明限位光強傳感器未觸發(fā)，發(fā)送停止收/放簾，同時向智能控制模塊發(fā)送收/放簾不到位故障及卷簾控制停止信息;若未達到時間閾值條件，則獲取上/下限位光照強度傳感器實時數(shù)據(jù)，并判斷是否滿足限位閾值條件，若滿足條件則向智能控制模塊發(fā)送收/放簾到位信息及卷簾控制停止信息，若不滿足條件則循環(huán)判斷。具體流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)驗證

為驗證系統(tǒng)的實用性與可靠性，在濟南歷城區(qū)一個實驗溫室部署安裝一套溫室卷簾智能控制系統(tǒng)。同時，設(shè)定時光自動控制的時間閾值為07：10、光照閾值為2 300 lx收簾，時間閾值為17：40、光照閾值為2 500 lx放簾?？赏ㄟ^遠程視頻監(jiān)控卷簾機運行狀況（圖5），同時在溫室內(nèi)安裝一路光照強度傳感器，通過傳感器數(shù)值的突變監(jiān)測收放簾的具體時間。圖6為3月18日、22日溫室內(nèi)光照強度傳感器07：00—08：00，17：30—18：30的變化。

經(jīng)過一年的實際運行發(fā)現(xiàn)，卷簾控制器可根據(jù)預(yù)設(shè)時間及光照強度閾值自動控制卷簾器工作，并可兼容平臺遠程控制及本地手動控制;運行期間未出現(xiàn)過卷問題，大大降低了勞動強度，減少勞動時間。

5 結(jié)論

針對溫室卷簾控制智能化程度低的現(xiàn)狀，筆者提出了一種基于時光雙控的智能卷簾控制器。該控制器以時間與光照強度作為決策依據(jù)，有效解決了卷簾被過卷問題，并提供了一種無人看守的卷簾被智能控制方法：防過卷方面，利用光照傳感器替換傳統(tǒng)的機械限位開關(guān)，并融合時間參數(shù)避免卷簾被過卷;智能控制方面，通過設(shè)置升降卷簾（被）開啟時間及光照強度閾值實現(xiàn)卷簾器的自動控制。試驗驗證結(jié)果表明，基于時光雙控的溫室卷簾智能控制器系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能可靠。

同時，該控制器存在一定的問題，比如在智能化控制方面僅通過時間與光照強度對卷簾進行全收和全放控制，未考慮溫度等因素。今后將充分考慮溫度、光照、時間及特殊天氣等因素對卷簾控制的影響，提升溫室卷簾控制器的智能化程度。

參考文獻

[1] 李天來.我國日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，200 36（2）：131-138.

[2] 吳海峰.青海日光溫室設(shè)施使用中的常見問題與解決方法[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，201 43（25）：358-359.

[3]

白元立.溫室大棚機械卷簾技術(shù)分析[J].農(nóng)機使用與維修，2020（5）：17-18.

[4] 張國祥，傅澤田，張領(lǐng)先，等.中國日光溫室機械卷簾技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33（S1）：1-10.

[5] 崔玉祥，趙亮，趙慧芳，等.日光溫室卷簾機控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2019（4）：50-51.

[6] 崔玉祥，趙慧芳，趙亮，等.日光溫室卷簾機控制器設(shè)計與試驗[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，59（17）：161-165.

[7] 崔玉祥，趙慧芳，趙亮.基于STM8的溫室卷簾機控制器設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2020（1）：21-23.

[8] 裴雪，范奧華，劉煥宇，等.基于溫光耦合的溫室卷簾機控制設(shè)備開發(fā)[J].農(nóng)機化研究，2018，40（4）：83-86.

[9] 曹瑞紅，李晉蒲，趙建貴，等.日光溫室卷簾及通風(fēng)口控制系統(tǒng)研制[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（5）：219-226.

[10] 石建業(yè)，羅有中，王嬌敏，等.日光溫室卷簾機自動控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國農(nóng)業(yè)信息，2017（4）：77-79.