梁凱　韓睿澤　宋蕾

關(guān)鍵詞：藥材；光照；自動(dòng)控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

我國(guó)已將中醫(yī)藥發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，并對(duì)推進(jìn)中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展做出了系統(tǒng)部署。國(guó)家加大了對(duì)中醫(yī)藥科研和創(chuàng)新的支持力度，通過(guò)加強(qiáng)科研機(jī)構(gòu)建設(shè)、推動(dòng)中醫(yī)藥現(xiàn)代化技術(shù)研發(fā)和中藥《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》（Good Manufacturing Practice ofMedical Products，GMP）認(rèn)證等方式，提高中醫(yī)藥的質(zhì)量，促進(jìn)中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。此外，我國(guó)還加強(qiáng)了中醫(yī)藥國(guó)際交流與合作，提升中醫(yī)藥在國(guó)際組織中的地位，推動(dòng)中醫(yī)藥的國(guó)際化發(fā)展。

在不同的光照條件下，中藥材的生長(zhǎng)發(fā)育表現(xiàn)出不同的特性。例如，根據(jù)植物對(duì)光照強(qiáng)度的需求，可以將植物分為陽(yáng)生植物（如北沙參、山藥、顛茄子等，主要生長(zhǎng)在直曬陽(yáng)光充足的地方）、陰生植物（如人參、西洋參等，不能忍受強(qiáng)烈日光照射，喜歡在陰濕的地方生長(zhǎng)）和中間型植物（如天門(mén)冬、麥門(mén)冬等，處于喜陽(yáng)和耐陰之間）。光照對(duì)藥用成分的積累也有直接影響，如在不同光照強(qiáng)度或光照時(shí)間下處理金線蓮，可以觀察到其藥用成分含量均會(huì)發(fā)生變化[1-2]。

綜上，不同的中藥材對(duì)光照的需求有所不同，因此需要設(shè)計(jì)一種在種植過(guò)程中可以根據(jù)不同中藥材的特性自動(dòng)進(jìn)行光照調(diào)整的系統(tǒng)，即光環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“自動(dòng)控制系統(tǒng)”），從而提高中藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)用場(chǎng)景

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于中藥材種植環(huán)境監(jiān)控、中藥材生產(chǎn)管理、中藥材智能種植等領(lǐng)域。

1.2 功能要求

為了滿足中醫(yī)藥科研和創(chuàng)新的應(yīng)用要求以及實(shí)現(xiàn)光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間等因素的自動(dòng)調(diào)控，自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求。

（1）精確轉(zhuǎn)換光能。自動(dòng)控制系統(tǒng)的根本作用是對(duì)藥材所需不同光環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，促進(jìn)藥材的培育。

（2）利用太陽(yáng)能電池供能。為了響應(yīng)節(jié)能降耗的國(guó)家政策，自動(dòng)控制系統(tǒng)搭載太陽(yáng)能電池?；诠怆娦?yīng)，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能。

（3）具備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。通過(guò)輸入指令，自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)光顏色、光照強(qiáng)度以及定時(shí)控制光照時(shí)間。該遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)不會(huì)受到傳統(tǒng)種植方式自動(dòng)化程度不高的約束，而且該遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，不受到年齡、受教育程度等方面的限制。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)通過(guò)科技創(chuàng)新，使得種植變得簡(jiǎn)單、省時(shí)省力。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)編程是一種通過(guò)編程語(yǔ)言（如C 語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等）來(lái)控制單片機(jī)行為的技術(shù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)使用了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將RISC 微處理器（advanced RISC machines，ARM）技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合[3]。軟件設(shè)計(jì)包括主程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及中斷子程序（“看門(mén)狗定時(shí)器”，簡(jiǎn)稱Watchdog）。脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）輸出控制中斷子程序、控制參數(shù)輸入子程序、碼制轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、延時(shí)子程序，以及溫度采樣和控制參數(shù)隊(duì)列初始指針定位子程序等[4]。此外，STM32 的編程還需要使用一些特定的工具，如STM32CubeMX 和Keil 等。STM32CubeMX 是意法半導(dǎo)體公司提供的圖形化配置工具，可以幫助用戶生成初始化代碼，簡(jiǎn)化工程的初始化過(guò)程；Keil 則是一個(gè)常用的單片機(jī)編程環(huán)境，提供了代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能。

1.4 硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)的硬件如圖1 ～圖3 所示。

自動(dòng)控制系統(tǒng)基于輸入的控制參數(shù)對(duì)光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間等因素進(jìn)行改變和控制，并且可以設(shè)置n 個(gè)梯度。根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的值改變當(dāng)前溫度，從而實(shí)現(xiàn)梯度的自動(dòng)改變。采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以模擬一天的溫度和光照。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如果干擾破壞指令計(jì)算器的內(nèi)容，便會(huì)出現(xiàn)“飛程序”，致使系統(tǒng)失控。該系統(tǒng)采用WatchDog 對(duì)“飛程序”進(jìn)行檢測(cè)和自動(dòng)恢復(fù)。

2 功能實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖4 所示。該自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括核心控制單元（STM32F103C8T6單片機(jī)）、光質(zhì)智能變換模塊、光環(huán)境監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)控模塊、定時(shí)模塊、顯示模塊（LCD1602液晶顯示器）、PWM 芯片、太陽(yáng)能板、光敏電阻電路板以及電源等模塊。自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能為：通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能的吸收，系統(tǒng)在任何環(huán)境下的能源均能保持充足；光環(huán)境監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)控模塊檢測(cè)外部光環(huán)境的光照強(qiáng)度變化[4]，根據(jù)接收到的光變化指令，改變不同中藥材所需的光照強(qiáng)度；光質(zhì)智能變換模塊和定時(shí)模塊通過(guò)解析中藥材所需的光照顏色及時(shí)間的指令來(lái)改變藥材所需的光環(huán)境。

在自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先，太陽(yáng)能充電板吸收太陽(yáng)能對(duì)電池進(jìn)行充電；其次，初始化自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊；最后，根據(jù)在LCD1602 液晶顯示器中顯示的光環(huán)境變化來(lái)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中不同中藥材所需的光環(huán)境[5]。如果監(jiān)測(cè)到藥材周?chē)h(huán)境光照顏色出現(xiàn)變化，STM32F103C8T6 單片機(jī)可以對(duì)光質(zhì)智能變換模塊發(fā)送指令，該模塊解析指令后并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前時(shí)間段適宜藥材生長(zhǎng)的光照顏色，同時(shí)通過(guò)PWM 技術(shù)減少色差，提高光照顏色準(zhǔn)確性。如果監(jiān)測(cè)到藥材周?chē)h(huán)境光照強(qiáng)度出現(xiàn)變化，STM32F103C8T6 單片機(jī)對(duì)光環(huán)境監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)控模塊發(fā)送指令，該模塊解析指令后并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前時(shí)間段適宜藥材生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度。光環(huán)境監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)控模塊使用以光敏電阻為主的電路元件所集成的電路板，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度信息的收集和顯示，以及對(duì)光照強(qiáng)度的智能調(diào)控。當(dāng)外界光照強(qiáng)度低于所需的光照強(qiáng)度時(shí)，使用外加電源的方法通過(guò)增大功率來(lái)提升發(fā)光二極管（light emiting diode，LED）燈的光照強(qiáng)度。而藥材所需要的光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間，可通過(guò)定時(shí)模塊，精準(zhǔn)控制LED燈的定時(shí)開(kāi)啟和待機(jī)時(shí)間。自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作流程如圖5 所示。

3 應(yīng)用分析

3.1 系統(tǒng)研究結(jié)果

自動(dòng)控制系統(tǒng)基于STM32 單片機(jī)和各個(gè)模塊的互相配合，對(duì)光照進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控并且在顯示屏上顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。太陽(yáng)能電池可以持續(xù)為自動(dòng)控制系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的可持續(xù)性，同時(shí)也可以達(dá)到節(jié)能效果。光質(zhì)智能變換模塊和光環(huán)境監(jiān)測(cè)與自動(dòng)調(diào)控模塊的精確性對(duì)光照調(diào)控效果產(chǎn)生的影響較大。在不同的光環(huán)境下，中藥材產(chǎn)量也會(huì)發(fā)生不同程度的變化。本文模擬了不同的天氣情況并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示自動(dòng)控制系統(tǒng)在不同天氣情況下均可以自動(dòng)調(diào)節(jié)光照。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以提高中藥材的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要適用人群是文化程度不高的中藥材種植者。通過(guò)簡(jiǎn)化該系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，方便用戶的安裝和操作，同時(shí)也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)只需要用戶輸入中藥材的名稱，便可以實(shí)現(xiàn)光照的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，最大限度地排除光照對(duì)藥材產(chǎn)量、藥用價(jià)值和品質(zhì)等方面的影響。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)光照的自動(dòng)調(diào)控不受惡劣環(huán)境影響，從而使中藥材在最適宜的光照環(huán)境下生長(zhǎng)。為了能夠精準(zhǔn)調(diào)控，本系統(tǒng)采用了PWM 技術(shù)（圖6），提高了中藥材的品質(zhì)及藥性。在節(jié)能方面，該系統(tǒng)使用太陽(yáng)能電池，其可以支撐系統(tǒng)的全天用電量。

3.3 未來(lái)發(fā)展

隨著科技的發(fā)展以及工業(yè)逐步進(jìn)入自動(dòng)化，自動(dòng)控制系統(tǒng)將會(huì)變得更智能化，對(duì)其的需求量也將增大。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)該系統(tǒng)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，減少人力成本，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)藥的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，自動(dòng)控制系統(tǒng)在中藥材種植領(lǐng)域具有重要的作用。本文通過(guò) STM32F1 系列開(kāi)發(fā)板、PWM 技術(shù)以及其他智能控制模塊，設(shè)計(jì)了中藥材光環(huán)境的自動(dòng)控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，在模塊設(shè)計(jì)方面，光照的自動(dòng)調(diào)控精確性對(duì)中藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)等有不同程度的影響。如果遇到自然災(zāi)害等特殊情況，用戶可通過(guò)手動(dòng)按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人工操控，同時(shí)在顯示屏上看到相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外具有較大的發(fā)展空間，未來(lái)可以對(duì)智能控制模塊進(jìn)行更深層次的研究，以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，使其在環(huán)境異常情況下依然可以自動(dòng)調(diào)控，從而進(jìn)一步提高中藥材的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)量和品質(zhì)。