基于溫室大棚的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

深圳大學(xué)信息工程學(xué)院 區(qū)耀中 邱俊滔 李宇威 游俊德 嚴(yán)子富 柯 嬋 文含和

基于溫室大棚的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

深圳大學(xué)信息工程學(xué)院 區(qū)耀中 邱俊滔 李宇威 游俊德 嚴(yán)子富 柯 嬋 文含和

本文分享了溫室大棚自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與原理，分享了作者設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并且用此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對溫室大棚的各個(gè)參數(shù)的控制。

溫室大棚；自動(dòng)化；控制；單片機(jī)；嵌入式

一、背景

傳統(tǒng)的露天式農(nóng)業(yè)過于依賴于變幻莫測的天氣情況，對天氣的變化非常敏感，而溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境相對外界變化較為溫和穩(wěn)定，而且可以人為控制。因而，溫室大棚可以廣泛用于特定作物的耕作，而且能夠廣泛用于農(nóng)業(yè)科研研究的基地。同時(shí)，隨著中國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，人們消費(fèi)生活水平提高，人力成本也逐漸提高；并且科研人員對于特定場景的物種研究需要耕作實(shí)踐。開發(fā)出自動(dòng)化的溫室大棚系統(tǒng)，不僅能夠擴(kuò)大溫室大棚的優(yōu)勢，而且能夠減少糧食生產(chǎn)的成本，增加農(nóng)業(yè)科研人員的研發(fā)效率。高科技比傳統(tǒng)耕作方法具有更高的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，面對自然災(zāi)害，高效率的自動(dòng)化輔助耕作可以在更短時(shí)間完成預(yù)防工作，盡力挽救損失。因而，我們團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了半年時(shí)間，進(jìn)行了諸多實(shí)踐得到了不少成果經(jīng)驗(yàn)。我們在項(xiàng)目期間，設(shè)計(jì)了一個(gè)在本文中，把我們的經(jīng)歷與經(jīng)驗(yàn)，與大家一同分享。

二、系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

我們團(tuán)隊(duì)對溫室大棚的模型采用圓頂，一維的模擬農(nóng)田進(jìn)行設(shè)計(jì)。因而我們所有的灌溉設(shè)備只有一行置于農(nóng)田正上方的適當(dāng)部位。同時(shí)，我們在溫室薄膜的兩個(gè)側(cè)面設(shè)計(jì)了一對通風(fēng)孔，保持溫室內(nèi)的空氣對流。在棚頂安置了補(bǔ)光燈。同時(shí)在內(nèi)部放置了光敏傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及可行性分析

1.中央控制電路

本控制系統(tǒng)的中央控制電路采用的是ST公司開發(fā)的STM32F-103C8T6芯片，它基于ARM的Context-M3內(nèi)核。對于我們這種實(shí)時(shí)性不高、數(shù)據(jù)量不太大的系統(tǒng)足夠了。他的內(nèi)部外設(shè)也足夠豐富，能夠應(yīng)付大部分的應(yīng)用場景。

2.外圍控制電路

中央控制電路控制的是外圍控制電路，包括三極管、繼電器、電磁閥、數(shù)據(jù)傳輸模塊（本系統(tǒng)使用ESP8266無線模塊）以及各種傳感器。

由于我們這里的控制涉及到小電流控制大電流器件，而且相差特別懸殊，我們使用了二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。而芯片是一種低功率器件，其電壓低、電流微弱，普通的STM32F1芯片系統(tǒng)總電流大概就200～300mA，每個(gè)引腳能夠輸出的最大電流也就是20mA，這么微弱的電流根本無法驅(qū)動(dòng)額定電流2A的電磁閥。因而我通過三極管的電流放大作用，將約2mA的引腳輸出電流放大至約50mA左右，用這個(gè)一級(jí)放大電流去控制一個(gè)繼電器（型號(hào)：SONGLE SRD-05VDC-SL-C），利用繼電器的開關(guān)特性去進(jìn)行二級(jí)放大，控制電磁閥的2A電流，構(gòu)成了整個(gè)2mA小電流控制2A大電流的系統(tǒng)。其他大功率設(shè)備控制也是通過這樣的方式，這里就不一一概述。

3.外圍傳感器

（1）光敏傳感器

光敏傳感器安裝于大棚頂部敞亮的位置，方便接收外界光線信號(hào)。這個(gè)傳感器的設(shè)置是為了感知外部光照環(huán)境，判斷是否需要開啟或者關(guān)閉補(bǔ)光燈系統(tǒng)。

（2）土壤溫濕度傳感器

土壤溫室度傳感器安裝于土壤正中，深度約為5cm左右，便于監(jiān)測土壤的溫濕度變化，用于決定是否需要啟動(dòng)或者關(guān)閉灌溉系統(tǒng)。

（3）二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳濃度傳感器安裝于距離土壤30cm的高度處，以監(jiān)測棚內(nèi)二氧化碳濃度來控制大棚內(nèi)的排氣扇，讓大棚內(nèi)的CO2濃度維持在合適的范圍。

4.用戶控制系統(tǒng)

由于部分操作需要用戶操作，我們使用無線模塊與用戶的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離交互。我們將無限發(fā)送模塊作為TCP客戶端并且連接上了校園內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)，使其可以在校園網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互動(dòng)。即便我身處宿舍，也可以遠(yuǎn)程操控。用戶端可以通過發(fā)送指令干預(yù)中央處理器的行為。對于用戶的指令中央處理器會(huì)進(jìn)行處理并進(jìn)行操作反饋與用戶互動(dòng)。讓用戶可以及時(shí)遠(yuǎn)程了解大棚狀況。

圖1 系統(tǒng)框架

圖2 控制程序圖流程圖

四、系統(tǒng)控制邏輯

中央控制器負(fù)責(zé)對整個(gè)電路進(jìn)行著邏輯控制。我們通過“控制-反饋”組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。通過反饋回來的信息不斷調(diào)節(jié)我們整個(gè)系統(tǒng)，來讓系統(tǒng)狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)（見圖1、圖2、圖3）。

1.灌溉系統(tǒng)

通過土壤溫濕度傳感器監(jiān)測出來的溫濕度，比對我們的目標(biāo)值，低于目標(biāo)值則進(jìn)行灌溉操作，高于或等于目標(biāo)值就停止灌溉操作。

當(dāng)然，由于我們要用兩個(gè)參數(shù)來指導(dǎo)灌溉系統(tǒng)，因而兩個(gè)參數(shù)需要設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重。一般我們默認(rèn)為相同權(quán)重。但是有界限，一旦某一參數(shù)超過界限，則邏輯由該參數(shù)直接決定，直至參數(shù)回歸到設(shè)定的界限。這是為了防止極端條件對大棚的穩(wěn)定性造成影響。溫度我們這這里設(shè)置的目標(biāo)值為25℃，界限為18～35℃，濕度的目標(biāo)值為白天55%，夜間83%，界限為20%浮動(dòng)。當(dāng)然，參數(shù)均可自行設(shè)置。

圖3 光敏傳感器與不同的匹配電阻的輸出

2.補(bǔ)光系統(tǒng)

補(bǔ)光系統(tǒng)依賴于光敏傳感器（型號(hào)：LXD/GB3-A1DPZT 1206線性光敏傳感器）傳回的值進(jìn)行調(diào)控。由于平時(shí)陽光強(qiáng)度很大，一般陰天已經(jīng)能夠超過100 LUX，我們需要設(shè)定在日落或者傍晚這種弱光環(huán)境給予棚內(nèi)植物合適的光線進(jìn)行光合作用。我們根據(jù)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)給出的閾值約為30～50 LUX即可在夜間開燈，陰天不開燈。我們選擇將光敏電阻串聯(lián)100kΩ的電阻，讓它在30～50 LUX具有較大的線性范圍。

不同的光照程度電阻分得的電壓是不一樣的。我們根據(jù)這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，用中央芯片的ADC內(nèi)部外設(shè)監(jiān)測該系統(tǒng)電阻上分得的電壓水平，高于1.5V（我們的經(jīng)驗(yàn)值，此值因不同的系統(tǒng)而異）我們就認(rèn)為光照強(qiáng)度達(dá)到了閾值，關(guān)閉補(bǔ)光系統(tǒng)；低于則開啟光照系統(tǒng)。

1.排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)依賴于二氧化碳濃度傳感器的工作。如果在白天光照充足的情況下，閉塞的大棚無法讓空氣流通，二氧化碳沒法從外界補(bǔ)充，而植物又消耗掉大部分的二氧化碳，甚至低于100μL/升，此時(shí)光合作用幾乎停止；然而晚上植物的呼吸作用又會(huì)讓大棚內(nèi)充斥大量的二氧化碳，甚至達(dá)到1000μL/升，這些二氧化碳是第二天光合作用寶貴的物質(zhì)，此時(shí)我們需要關(guān)閉排氣來留住這些養(yǎng)料。只要監(jiān)測到棚內(nèi)二氧化碳濃度低于大氣值，則打開排氣系統(tǒng)；高于此值則關(guān)閉，盡最大程度讓植物能夠充分利用二氧化碳進(jìn)行光合作用。

2.無線通訊系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)與中央芯片共同協(xié)作。無線射頻模塊將收到的指令信息傳回處理器，處理器解析出信息內(nèi)容，做出相應(yīng)的反應(yīng)后將操作結(jié)果通過無線射頻模塊傳回給用戶。我們在程序預(yù)先設(shè)置了相關(guān)的操作指令，用戶只要連上了大棚就會(huì)有“打招呼”內(nèi)容。提示用戶操作只要按照提示操作就能正確指揮系統(tǒng)。

五、實(shí)踐驗(yàn)證

我們經(jīng)過長時(shí)間的模型搭建與實(shí)測，去尋找系統(tǒng)的缺陷，并且完善這些缺陷。能夠達(dá)到預(yù)期的效果。我們在此過程中保留了圖片。

圖4

六、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

整個(gè)項(xiàng)目下來，我們有得有失，總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，可以讓后來的參考者少走一些彎路。

1.盡量設(shè)計(jì)PCB板

設(shè)計(jì)PCB板有個(gè)好處就是集成度高，同時(shí)所有邏輯器件都在板子上，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少一些無意之失。一些磕磕碰碰不至于損壞整個(gè)系統(tǒng)的核心，同時(shí)提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，避免一些難以覺察的錯(cuò)誤。

2.設(shè)置“集線器”

由于系統(tǒng)中有各種線材需要從主控部分引出到大棚中，將所有的線材（水管、電線、信號(hào)控制線等）安置在一起可以減少系統(tǒng)的損壞。

3.購買耐用的耗材

由于系統(tǒng)是長時(shí)間暴露在外的，除了以上兩點(diǎn)，我們還需要注意在購買器材的時(shí)候不要貪小便宜，很容易造成在室外工作的不穩(wěn)定。

4.做好防水抗高溫工作

變幻莫測的天氣會(huì)給系統(tǒng)帶來干擾與破壞，對特別是核心部件的防水除濕、防高溫工作很有必要。芯片的工作環(huán)境溫度不要高于60度、濕度要盡量低，否則很容易造成芯片損壞或者程序跑飛。我們之前沒有在控制箱內(nèi)放置除濕劑，每次雨后控制箱內(nèi)會(huì)有積水，導(dǎo)致控制板過快老化。

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本項(xiàng)目受到了廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金的資助（項(xiàng)目號(hào)：Pdjh2017b0435）。

指導(dǎo)老師：潘志銘。