溫室無害生長植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)

河北農業(yè)大學 李磊 梁潤東 丁新飛 儲相龍 谷偉樂 李朝亮

1 制作方案

1.1 比較與選擇

1.1.1 單片機型號選擇

微型植物工廠采用STM32F103RCT6 單片機，該單片機為ARM 架構，具備成熟的開發(fā)生態(tài)環(huán)境應用廣泛，時鐘頻率72Mhz，必要情況下可超頻，擁有多個硬件IIC、SPI 和UART 通訊端口以及八個內部定時器，功耗低。

1.1.2 傳感器選擇

空氣溫濕度傳感器SHT20，該傳感器，通過內部MCU 將獲取到的空氣溫濕度數值進行處理濾波然后以IIC 通訊方式將數據以數字量的形式直接上傳到單片機，土壤溫濕度傳感器以串口通訊的方式，115200 的波特率與單片機進行通訊，將土壤溫濕度數據上傳單片機，光照強度OPT101 傳感器，具備集成的硬件運算放大濾波電路，將光照強度轉變?yōu)?- 3.3V 的模擬量，再通過單片機內部12 位ADC 進行A/D 轉換，可得出實時光照強度數據，以上三個傳感器具備低功耗、使用廣泛、工作穩(wěn)定的優(yōu)點。

1.1.3 電機控制器選擇

本系統(tǒng)需要水泵對土壤進行補水，風扇對工廠內部進行通風，所以選擇廉價的L298N 電機驅動器，其控制精度滿足本系統(tǒng)要求，且輸出功率可達36W，反應速度快，控制邏輯簡單，可長時間持續(xù)運轉。

1.1.4 電源的設計

微型植物工廠采用太陽能電池板、可充電鋰電池和12V 直流電源進行供電，三部分電源設計其優(yōu)點在于，天氣狀況良好的情況下，太陽能電池板可保證系統(tǒng)正常運行的同時給鋰電池進行充電，在陰天的時候鋰電池進行工作，若持續(xù)陰雨天氣，可接市電進行工作，由于一天之中太陽光光強的變化，太陽能電池板輸出的電壓波動變化幅度較大，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)最大功率運行，在夜間太陽能電池板不能提供電源的時候，此時使用單片機內部ADC 附加外部電路對電壓進行檢測，太陽能電池板發(fā)電電壓低于9V 后切斷太陽能電池板的供電，采用鋰電池或者市電進行供電，保證系統(tǒng)持續(xù)運行。

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，低功耗運行時間長工作穩(wěn)定。

1.1.6 電路設計

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 電壓在負責給土壤溫濕度傳感器進行供電的同時，再通過兩片AMS1117- 3.3V 并聯穩(wěn)壓負責給單片機、SHT20、OPT101 以及OLED 屏幕進行供電，因為AMS1117- 3.3V 額定輸出電流為500mA，不能滿足后期對系統(tǒng)進行升級改進增加功能的要求，所以采用并聯的方式提供足夠供電能力。

1.1.7 電機選擇

水泵電機選擇常用直流12V385 有刷電機，該電機內阻小，減速組損耗低工作運行穩(wěn)定，風扇選擇9cm*9cm 12V 6W 散熱扇，價格便宜，該系列風扇常用作電腦散熱扇因此運行穩(wěn)定使用時間長。

2 設計思路及工作原理

基于太陽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)運行，以SHT20，土壤溫濕度傳感器、OPT101 對影響植物生長狀況的各項環(huán)境參數進行檢測，并通過STM32 對采集到的數據進行冒泡法濾波處理，將各項參數與之前設定好的閾值進行比較，通過定時器輸出PWM對通風扇轉速進行控制，應用PID 算法對室內空氣加熱棒進行控制，和實時光照補充，以及I/O 口輸出高低電平控制8050NPN 行三極管導通和截止再由三極管控制繼電器，三極管對水泵進行開關，這里的不采用I/O 直接控制繼電器，防止使用過程中電機或者繼電器出現故障反向電壓擊穿單片機。

3 理論分析與軟件設計

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據初步處理方法，程序設計中采用冒泡法對空氣溫濕度數據、土壤溫室度數據、光照強度數據，十個一組進行冒泡法排序，去掉十個數據中的最大值最小值，然后再求剩余八組數據的平均值，優(yōu)點在于：本身數據通過傳感器內部電路進行處理就比較穩(wěn)定，再上傳到單片機進行冒泡法排序濾波得到的數據更加接近于此時環(huán)境的真實狀態(tài)，且冒泡法排序占用單片機資源少，算法簡單效率高，不會影響系統(tǒng)的反應速度，保證系統(tǒng)實時處理能力，且經過濾波后增加了系統(tǒng)的使用壽命，消除了數據出現的波峰和波谷。

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)定的運行，該系統(tǒng)采用基于單片機系統(tǒng)的PID 算法，PID 分別為比例、微分、積分，比例保證了系統(tǒng)的反應速度，I、D 共同決定了系統(tǒng)的運行精度，該算法保證工廠內部各項環(huán)境維持在植物生長最佳范圍內，其中對風扇風速的控制采用PD 算法其優(yōu)勢在于反應速度快，且與SHT20 傳感器組成閉環(huán)控制，保證室內空氣濕度在可控范圍內，加熱棒采用PI 算法進行控制，雖然PI 算法的反應速度較PD 慢，但是其控制精度高，能保證植物始終處于最佳生長溫度范圍內。光強控制方面直接采用比例算法與OPT101 反饋的光強數據形成閉環(huán)控制，保證植物的光合作用處于最高效的狀態(tài)。

3.2 軟件設計

軟件部分的設計包括以下幾個部分：OLED 屏幕底層驅動程序搭建、單片機定時器配置程序搭建、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、單片機內部12 位ADC 配置程序搭建、單片機看門狗底層配置設計，看門狗用于運行過程中監(jiān)視程序狀態(tài)，系統(tǒng)出現異常，停止程序運行，對系統(tǒng)進行重啟，如果重啟后再次出現錯誤，將報警通知技術員解決。

底層代碼采用HAL 庫進行編寫，HAL 庫是ST 公司推出的目前在STM32 系列單片機上廣泛應用的固件庫，對單片機內部寄存器包括定時器、I/O 口、串口、A/D 轉換初始化、看門狗配置初始化可直接采用官方退出的CubeMX 進行圖形化配置，其底層代碼邏輯性強、可讀性高、可移植性強，節(jié)省了大量的底層軟件設計時間，在底層代碼搭建完成后，參照網上Github、CSDN 等諸多電子設計開發(fā)開源資料，對上層邏輯控制部分進行設計、編程、調試。

4 硬件結構設計

整個模型分成四部分：第一部分為歐標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狀況；第二部分為核心控制部分，采用自行設計PCB 板構建，PCB 上包括單片機、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；第三部分為電機及電機驅動部分：包括IRF3205 大功率MOS 管、8050NPN型三極管、L298N 電機驅動，風扇、水泵；第四部分為電源部分：其中包括太陽能電池板、12V 可充電鋰電池、市電轉12V 穩(wěn)壓直流電源。

5 總結

經過實際實驗運行監(jiān)測，本文中基于太陽能供電的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)方案可行，且工作運行穩(wěn)定，以ARM 架構的32 位單片機為控制核心的結合各種傳感器構成了該系統(tǒng)。能夠在模型內部空氣溫度升高的時候，及時打開通風扇進行通風降溫，在土壤含水量低于閾值時打開水泵，進行滴灌，在外界溫度降低時，加熱棒和通風扇結合共同維持系統(tǒng)的溫度處于植物生長發(fā)育的最佳范圍，并隨著外界光強的變化，模型內的LED 燈通過單片機對占空比的調整達到控制補光的效果，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，軟件全面能自我調整，整體適應性強。