基于STM32集智能溫室和殺蟲為一體的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 黃萌

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于蔬菜、花卉等的需求越來(lái)越大，并且要求越來(lái)越高，這就要求有一種場(chǎng)所，它不僅可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境，而且還能為植物的生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳的條件，避免外界的四季變化和惡劣氣候?qū)κ卟?、花卉等的影響，這就是溫室。溫室生產(chǎn)的目的是調(diào)節(jié)生產(chǎn)周期，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，防治病蟲害以及提高產(chǎn)量、質(zhì)量等。但溫室是一個(gè)多變量、多耦合、非線性、大滯后的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，因此需要建立一個(gè)有預(yù)見性、及時(shí)的控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，以提供最為合適的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境。溫室的控制系統(tǒng)不僅要及時(shí)調(diào)節(jié)溫室環(huán)境下的溫濕度、光照、CO2等環(huán)境因子，還要注意防治封閉環(huán)境下溫室的病蟲害。由于很多管理者不重視“預(yù)防為主，綜合防治”的植保方針，只迷信農(nóng)藥，導(dǎo)致室外傾入的白粉虱、蚜蟲、美洲斑潛蠅等害蟲在溫室中的侵害日趨嚴(yán)重，影響到農(nóng)作物的健康成長(zhǎng)，也不符合有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的發(fā)展方向。

目前國(guó)內(nèi)一般的農(nóng)業(yè)承包者都是自己搭建比較簡(jiǎn)單的大棚，構(gòu)造簡(jiǎn)單，幾乎沒(méi)有實(shí)現(xiàn)智能化，不具備及時(shí)并良好地調(diào)整棚內(nèi)外環(huán)境的功能，離真正意義上的智能化有著很大的距離。而市場(chǎng)上提供的控制器功能單一，諸如：控溫器、控濕器等等，也有提供溫室智能控制系統(tǒng)[2-6]，但都是面對(duì)大型企業(yè)的，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，對(duì)于大多數(shù)農(nóng)民而言是負(fù)擔(dān)不起的。設(shè)計(jì)一款多功能簡(jiǎn)易的溫室控制系統(tǒng)就顯得尤為重要，它不僅可以提高農(nóng)作物的質(zhì)量、產(chǎn)量和效益，而且還能深化溫室大棚的智能化控制技術(shù)以及推廣溫室大棚智能化的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM 32多功能的智能溫室控制系統(tǒng)，以溫度、濕度、光照、CO2作為環(huán)境因子，通過(guò)各類傳感器對(duì)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)，根據(jù)農(nóng)作物不同以及對(duì)應(yīng)的常見害蟲的活動(dòng)特性（活動(dòng)時(shí)間及趨光波長(zhǎng)）可設(shè)置環(huán)境參數(shù)值，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息和其變化規(guī)律，及時(shí)控制溫室內(nèi)的供水系統(tǒng)、濕度系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、CO2產(chǎn)生器和多頻譜殺蟲燈，從而實(shí)現(xiàn)集殺蟲和智能溫室為一體的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)利用溫室殺蟲燈的分布放置，設(shè)計(jì)一個(gè)殺蟲燈和單體溫室控制分站為一體的控制系統(tǒng)，既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控溫室內(nèi)不同位置的空氣溫度、空氣濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子以及控制殺蟲燈燈組頻譜和高壓電網(wǎng)的開關(guān)，還能通過(guò)CAN to USB模塊將各個(gè)單體溫室集中鏈接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)連棟管理。

對(duì)于溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)，根據(jù)各種傳感器測(cè)到的環(huán)境參數(shù)與專家數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，看是否符合參數(shù)的上下限值范圍內(nèi)，對(duì)于超限的參數(shù)做出相應(yīng)的決策，控制相應(yīng)的設(shè)備以及相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作，同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警提示。系統(tǒng)中的微控制器則根據(jù)用戶設(shè)置，通過(guò)決策產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯，關(guān)聯(lián)相關(guān)設(shè)備。相關(guān)的設(shè)備主要有加溫設(shè)備、降溫設(shè)備、加濕設(shè)備、除濕設(shè)備、遮陽(yáng)設(shè)備、CO2產(chǎn)生器。

對(duì)于殺蟲燈的調(diào)節(jié)，根據(jù)各種傳感器測(cè)到的環(huán)境參數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，區(qū)分白晝、天氣和季節(jié)的不同，從而控制殺蟲燈組和高壓電網(wǎng)的開關(guān)。同時(shí)根據(jù)溫室環(huán)境下所種植的農(nóng)作物不同，對(duì)應(yīng)害蟲的視敏曲線也不同，人工可以設(shè)置由多種波長(zhǎng)LED燈所組成的燈組的頻閃波長(zhǎng)和頻率，從而提高害蟲的捕殺率。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于ARM Coretex-M 3內(nèi)核的STM 32系列單片機(jī)。它有高速的數(shù)據(jù)處理能力且芯片內(nèi)部集成豐富的外設(shè)接口資源，利于外部功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，包括傳感器電路、LED殺蟲燈組和高壓電網(wǎng)電路、微控制器、I/O輸出模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊、報(bào)警電路、CAN總線接口設(shè)計(jì)和USB接口設(shè)計(jì)。

2.1 傳感器的選擇

本系統(tǒng)需實(shí)時(shí)采集溫室的環(huán)境參數(shù)，需選用合適的傳感器。溫度傳感器采用DS18B20，其具有體積小、適用電壓寬、性價(jià)比高、一線總線的特點(diǎn)。濕度傳感器采用HIH-4000，由于傳感器需長(zhǎng)期暴露在外，該型號(hào)的多層結(jié)構(gòu)可防止潮濕、灰塵、污垢、油類和常見化學(xué)品的侵蝕。光照傳感器采用ROHM公司的BH1750FVI，其有著較寬的照度范圍，能檢測(cè)出暗處到室外的光照變化。CO2傳感器采用COZIR，其具有超低功耗、高性能、可選量程的特點(diǎn)，適用于農(nóng)業(yè)大棚。

2.2 LED殺蟲燈組及高壓電網(wǎng)

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

溫室環(huán)境下種植的農(nóng)作物除了需要合適的生長(zhǎng)環(huán)境，還要減少害蟲的侵害。殺蟲燈模塊屬于本系統(tǒng)的重要組成部分。為了提高殺蟲燈的適用范圍，殺蟲燈的光源可采用寬光譜的LED光源陣列，由黃、綠、藍(lán)、白色4種不同顏色LED所組成的陣列，每種顏色1行，每行5個(gè)為一組，4種顏色的LED通過(guò)并聯(lián)組成4組陣列。在光源外設(shè)有高壓電網(wǎng)，可在害蟲受光源引誘飛來(lái)時(shí)將其捕殺[2]。LED光源陣列和高壓電網(wǎng)的開關(guān)可根據(jù)光照強(qiáng)度或是時(shí)鐘電路來(lái)設(shè)定，當(dāng)光強(qiáng)降低到一定程度則開啟LED燈組和高壓電網(wǎng)的開關(guān)，啟動(dòng)殺蟲模式。光源陣列光譜的選擇則可通過(guò)STM 32人為設(shè)定。同時(shí)殺蟲燈光譜及開關(guān)時(shí)間信息可通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和總線上傳至上位機(jī)，提供數(shù)據(jù)給管理者參考。

2.3 微控制器STM32

微控制器是本控制系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)本控制系統(tǒng)智能化、多功能化的關(guān)鍵。管理者可以通過(guò)STM 32外接的人機(jī)互動(dòng)設(shè)備鍵盤電路，實(shí)時(shí)設(shè)定農(nóng)作物適應(yīng)的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)：溫度、濕度、光照和CO2濃度以及白晝、晴雨天氣下溫濕度、光照的數(shù)值范圍和殺蟲燈燈組頻閃波長(zhǎng)和頻率。而傳感器電路中各類傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)也會(huì)反饋給STM 32，將其進(jìn)行對(duì)比，如若數(shù)值不一致時(shí)，處理機(jī)會(huì)自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的動(dòng)作：溫度或CO2濃度變化可通過(guò)周壁風(fēng)機(jī)的開關(guān)及所開的數(shù)量或是CO2產(chǎn)生器來(lái)調(diào)節(jié)；濕度變化可由加濕器及頂部風(fēng)機(jī)的開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)；亮度變化可由LED燈組中的白光來(lái)控制，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)，可開啟手動(dòng)模式，直接操作鍵盤電路控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作。STM 32處理機(jī)通過(guò)RS232串口將采集的環(huán)境參數(shù)傳送給PC機(jī)，通過(guò)軟件將采集的數(shù)據(jù)以界面的形式顯示出來(lái)。同時(shí)也可以利用PC機(jī)進(jìn)行溫室參數(shù)的實(shí)時(shí)設(shè)置，并將此信息傳遞給STM32處理機(jī)從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)以達(dá)到目標(biāo)要求，利用此原理來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。

2.4 輔助模塊

本系統(tǒng)的輔助模塊也是必不可少的部分：主要包括：I/O輸出模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊、報(bào)警電路。I/O輸出模塊包括鍵盤輸入電路和液晶顯示電路，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，管理者可將各類設(shè)定值通過(guò)該模塊輸入至微控制器。電源模塊主要由2部分組成，一是為傳感器電路、CAN總線、輔助模塊供電；二是為單片機(jī)、LED光源陣列、高壓電網(wǎng)供電。報(bào)警電路由蜂鳴器完成，當(dāng)某一環(huán)境參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍或是設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，判斷系統(tǒng)會(huì)開啟報(bào)警功能提醒管理者注意。

2.5 通信接口

本系統(tǒng)采用了CAN to USB模塊，通過(guò)CAN總線將各個(gè)單體溫室連棟管理，同時(shí)使用USB通信實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)（PC機(jī)）的鏈接，提供了單體溫室控制器與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)/指令的傳輸平臺(tái)。

2.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指對(duì)風(fēng)機(jī)、天窗/側(cè)窗、加濕/除濕、遮陽(yáng)網(wǎng)、CO2產(chǎn)生器、LED陣列光源中的白光的電機(jī)運(yùn)行和停止的控制。通過(guò)輸入信號(hào)的變化使繼電器起合，從而對(duì)控制電路進(jìn)行接通或者斷開，實(shí)現(xiàn)電器的自動(dòng)控制和電力裝置的保護(hù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

在一個(gè)系統(tǒng)中，其設(shè)計(jì)必然包括硬件和軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)可以使硬件發(fā)揮出相應(yīng)的功能。本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括單體溫室控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)、殺蟲燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)、CAN to USB模塊的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)（PC機(jī)）管理軟件的設(shè)計(jì)。單體溫室控制系統(tǒng)和殺蟲燈控制系統(tǒng)的軟件是處于溫室內(nèi)以STM 32F107單片機(jī)為核心的智能控制器程序，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫室實(shí)時(shí)監(jiān)控功能和殺蟲燈LED燈組、高壓電網(wǎng)的控制。CAN to USB模塊的軟件主要是CAN總線通信協(xié)議及USB總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)單體溫室與CAN to USB模塊的通信以及CAN toUSB與上位機(jī)平臺(tái)的通信。上位機(jī)管理軟件的設(shè)計(jì)主要是對(duì)溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行連棟管理，重點(diǎn)在對(duì)單體溫室的協(xié)調(diào)管理。單體溫室和殺蟲燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)最主要的部分，大部分的功能都是通過(guò)此來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 主程序

其主程序的流程圖見圖2：按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)進(jìn)行掃描故障，根據(jù)用戶設(shè)置選擇遠(yuǎn)程自動(dòng)模式或是現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)模式，讀取傳感器電路采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)比較結(jié)果進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖2 主程序流程圖

圖3 子程序流程圖

3.2 溫濕度、光照、CO2子程序

當(dāng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制時(shí)，單片機(jī)每10m in讀取各類傳感器的實(shí)測(cè)值并與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果實(shí)測(cè)值溫度T小于設(shè)定溫度的最小值Tmin則關(guān)閉風(fēng)機(jī)和遮陽(yáng)網(wǎng)，如果實(shí)測(cè)值溫度T大于設(shè)定溫度的最大值Tmax則開啟風(fēng)機(jī)和遮陽(yáng)網(wǎng)。如果濕度實(shí)測(cè)值H小于設(shè)定濕度的最小值Hmin則打開加濕設(shè)備，關(guān)閉除濕設(shè)備，如果濕度實(shí)測(cè)值H大于設(shè)定濕度的最大值Hmax則打開除濕設(shè)備，關(guān)閉加濕設(shè)備。如果實(shí)測(cè)值的光照L小于設(shè)定白天光照的最小值L1，則開啟殺蟲模式，相反如果實(shí)測(cè)值光照L大于設(shè)定黑夜光照的最大值L2，則關(guān)閉殺蟲模式。如果CO2濃度實(shí)測(cè)值C大于設(shè)定的最大值Cmax，則開啟風(fēng)機(jī)并關(guān)閉CO2產(chǎn)生器，如果實(shí)測(cè)值C小于設(shè)定的最小值Cmin，則關(guān)閉風(fēng)機(jī)開啟CO2產(chǎn)生器。溫濕度、光照、CO2子程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，將智能殺蟲與智能溫室合為一體，針對(duì)分布式溫室設(shè)計(jì)，采用CAN to USB模塊實(shí)現(xiàn)了單體溫室與上位機(jī)的連棟管理。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低、成本低，實(shí)用性強(qiáng)，功能多樣化，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能溫室的發(fā)展方向，為農(nóng)作物提供了更為合適的生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。同時(shí)人機(jī)交互智能化的控制也減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了管理效率。

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