基于STM32集智能温室和杀虫为一体的控制系统的设计

衢州学院电气与信息工程学院 黄萌

随着社会经济的不断发展，人们对于蔬菜、花卉等的需求越来越大，并且要求越来越高，这就要求有一种场所，它不仅可以改变植物生长环境，而且还能为植物的生长创造最佳的条件，避免外界的四季变化和恶劣气候对蔬菜、花卉等的影响，这就是温室。温室生产的目的是调节生产周期，促进植物的生长发育，防治病虫害以及提高产量、质量等。但温室是一个多变量、多耦合、非线性、大滞后的复杂动态系统，因此需要建立一个有预见性、及时的控制系统来调节温室环境，以提供最为合适的农作物生长环境。温室的控制系统不仅要及时调节温室环境下的温湿度、光照、CO2等环境因子，还要注意防治封闭环境下温室的病虫害。由于很多管理者不重视“预防为主，综合防治”的植保方针，只迷信农药，导致室外倾入的白粉虱、蚜虫、美洲斑潜蝇等害虫在温室中的侵害日趋严重，影响到农作物的健康成长，也不符合有机农产品的发展方向。

目前国内一般的农业承包者都是自己搭建比较简单的大棚，构造简单，几乎没有实现智能化，不具备及时并良好地调整棚内外环境的功能，离真正意义上的智能化有着很大的距离。而市场上提供的控制器功能单一，诸如：控温器、控湿器等等，也有提供温室智能控制系统[2-6]，但都是面对大型企业的，产品价格昂贵，对于大多数农民而言是负担不起的。设计一款多功能简易的温室控制系统就显得尤为重要，它不仅可以提高农作物的质量、产量和效益，而且还能深化温室大棚的智能化控制技术以及推广温室大棚智能化的应用。

本文设计了一种基于STM 32多功能的智能温室控制系统，以温度、湿度、光照、CO2作为环境因子，通过各类传感器对环境因子的监测，根据农作物不同以及对应的常见害虫的活动特性（活动时间及趋光波长）可设置环境参数值，通过实时监测环境信息和其变化规律，及时控制温室内的供水系统、湿度系统、温度系统、CO2产生器和多频谱杀虫灯，从而实现集杀虫和智能温室为一体的控制系统。

1 系统总体设计

本控制系统利用温室杀虫灯的分布放置，设计一个杀虫灯和单体温室控制分站为一体的控制系统，既可以实时监测和调控温室内不同位置的空气温度、空气湿度和光照强度等环境因子以及控制杀虫灯灯组频谱和高压电网的开关，还能通过CAN to USB模块将各个单体温室集中链接，实现上位机连栋管理。

对于温室环境的调节，根据各种传感器测到的环境参数与专家数据库中的参数进行对比，看是否符合参数的上下限值范围内，对于超限的参数做出相应的决策，控制相应的设备以及相关设备的动作，同时产生报警提示。系统中的微控制器则根据用户设置，通过决策产生相应的控制逻辑，关联相关设备。相关的设备主要有加温设备、降温设备、加湿设备、除湿设备、遮阳设备、CO2产生器。

对于杀虫灯的调节，根据各种传感器测到的环境参数与数据库中的参数进行对比，区分白昼、天气和季节的不同，从而控制杀虫灯组和高压电网的开关。同时根据温室环境下所种植的农作物不同，对应害虫的视敏曲线也不同，人工可以设置由多种波长LED灯所组成的灯组的频闪波长和频率，从而提高害虫的捕杀率。

2 硬件设计

本系统采用基于ARM Coretex-M 3内核的STM 32系列单片机。它有高速的数据处理能力且芯片内部集成丰富的外设接口资源，利于外部功能的扩展。系统硬件设计框图如图1所示，包括传感器电路、LED杀虫灯组和高压电网电路、微控制器、I/O输出模块、电源模块、人机交互模块、报警电路、CAN总线接口设计和USB接口设计。

2.1 传感器的选择

本系统需实时采集温室的环境参数，需选用合适的传感器。温度传感器采用DS18B20，其具有体积小、适用电压宽、性价比高、一线总线的特点。湿度传感器采用HIH-4000，由于传感器需长期暴露在外，该型号的多层结构可防止潮湿、灰尘、污垢、油类和常见化学品的侵蚀。光照传感器采用ROHM公司的BH1750FVI，其有着较宽的照度范围，能检测出暗处到室外的光照变化。CO2传感器采用COZIR，其具有超低功耗、高性能、可选量程的特点，适用于农业大棚。

2.2 LED杀虫灯组及高压电网

图1 系统硬件设计框图

温室环境下种植的农作物除了需要合适的生长环境，还要减少害虫的侵害。杀虫灯模块属于本系统的重要组成部分。为了提高杀虫灯的适用范围，杀虫灯的光源可采用宽光谱的LED光源阵列，由黄、绿、蓝、白色4种不同颜色LED所组成的阵列，每种颜色1行，每行5个为一组，4种颜色的LED通过并联组成4组阵列。在光源外设有高压电网，可在害虫受光源引诱飞来时将其捕杀[2]。LED光源阵列和高压电网的开关可根据光照强度或是时钟电路来设定，当光强降低到一定程度则开启LED灯组和高压电网的开关，启动杀虫模式。光源阵列光谱的选择则可通过STM 32人为设定。同时杀虫灯光谱及开关时间信息可通过数据存储模块和总线上传至上位机，提供数据给管理者参考。

2.3 微控制器STM32

微控制器是本控制系统的核心，是实现本控制系统智能化、多功能化的关键。管理者可以通过STM 32外接的人机互动设备键盘电路，实时设定农作物适应的生长环境参数：温度、湿度、光照和CO2浓度以及白昼、晴雨天气下温湿度、光照的数值范围和杀虫灯灯组频闪波长和频率。而传感器电路中各类传感器采集到的环境参数也会反馈给STM 32，将其进行对比，如若数值不一致时，处理机会自动控制执行机构做出相应的动作：温度或CO2浓度变化可通过周壁风机的开关及所开的数量或是CO2产生器来调节；湿度变化可由加湿器及顶部风机的开关来调节；亮度变化可由LED灯组中的白光来控制，当出现突发状况时，可开启手动模式，直接操作键盘电路控制机构动作。STM 32处理机通过RS232串口将采集的环境参数传送给PC机，通过软件将采集的数据以界面的形式显示出来。同时也可以利用PC机进行温室参数的实时设置，并将此信息传递给STM32处理机从而控制执行机构以达到目标要求，利用此原理来实现远程的控制。

2.4 辅助模块

本系统的辅助模块也是必不可少的部分：主要包括：I/O输出模块、电源模块、人机交互模块、报警电路。I/O输出模块包括键盘输入电路和液晶显示电路，实现人机交互，管理者可将各类设定值通过该模块输入至微控制器。电源模块主要由2部分组成，一是为传感器电路、CAN总线、辅助模块供电；二是为单片机、LED光源阵列、高压电网供电。报警电路由蜂鸣器完成，当某一环境参数超出预设范围或是设备出现故障时，判断系统会开启报警功能提醒管理者注意。

2.5 通信接口

本系统采用了CAN to USB模块，通过CAN总线将各个单体温室连栋管理，同时使用USB通信实现了与上位机（PC机）的链接，提供了单体温室控制器与上位机之间数据/指令的传输平台。

2.6 执行机构

本系统的执行机构是指对风机、天窗/侧窗、加湿/除湿、遮阳网、CO2产生器、LED阵列光源中的白光的电机运行和停止的控制。通过输入信号的变化使继电器起合，从而对控制电路进行接通或者断开，实现电器的自动控制和电力装置的保护。

3 软件设计

在一个系统中，其设计必然包括硬件和软件设计，软件设计可以使硬件发挥出相应的功能。本控制系统的软件设计包括单体温室控制系统的软件设计、杀虫灯控制系统的软件设计、CAN to USB模块的软件设计和上位机（PC机）管理软件的设计。单体温室控制系统和杀虫灯控制系统的软件是处于温室内以STM 32F107单片机为核心的智能控制器程序，主要实现现场温室实时监控功能和杀虫灯LED灯组、高压电网的控制。CAN to USB模块的软件主要是CAN总线通信协议及USB总线协议，实现单体温室与CAN to USB模块的通信以及CAN toUSB与上位机平台的通信。上位机管理软件的设计主要是对温室控制系统进行连栋管理，重点在对单体温室的协调管理。单体温室和杀虫灯控制系统的软件设计是系统最主要的部分，大部分的功能都是通过此来实现。

3.1 主程序

其主程序的流程图见图2：按下启动按钮后，系统进行扫描故障，根据用户设置选择远程自动模式或是现场手动模式，读取传感器电路采集到的数据，通过比较结果进行判断并执行相应的动作。

图2 主程序流程图

图3 子程序流程图

3.2 温湿度、光照、CO2子程序

当远程自动控制时，单片机每10m in读取各类传感器的实测值并与设定值进行比较。如果实测值温度T小于设定温度的最小值Tmin则关闭风机和遮阳网，如果实测值温度T大于设定温度的最大值Tmax则开启风机和遮阳网。如果湿度实测值H小于设定湿度的最小值Hmin则打开加湿设备，关闭除湿设备，如果湿度实测值H大于设定湿度的最大值Hmax则打开除湿设备，关闭加湿设备。如果实测值的光照L小于设定白天光照的最小值L1，则开启杀虫模式，相反如果实测值光照L大于设定黑夜光照的最大值L2，则关闭杀虫模式。如果CO2浓度实测值C大于设定的最大值Cmax，则开启风机并关闭CO2产生器，如果实测值C小于设定的最小值Cmin，则关闭风机开启CO2产生器。温湿度、光照、CO2子程序流程图如图3所示。

4 结论

本文设计的控制系统，将智能杀虫与智能温室合为一体，针对分布式温室设计，采用CAN to USB模块实现了单体温室与上位机的连栋管理。该系统结构简单，功耗低、成本低，实用性强，功能多样化，符合现代农业智能温室的发展方向，为农作物提供了更为合适的生长环境，从而提高了农作物的产量和质量。同时人机交互智能化的控制也减轻了农民的劳动强度，提高了管理效率。

[1]黄萌.温室专用多功能太阳能LED杀虫灯的设计及应用[J].安徽农业科学，2014，42（32）：11330-11331，11343.

[2]王丹丹，宗振海，陈慧珊，等．基于STM 32的智能温室远程控制系统的设计[J].浙江农业学报，2014，26（3）：791-796.

[3]陈会莲，谷明月，郑艳博，闫颖.基于PLC的温湿度自动控制系统的设计[J]，中国农机化学报，2015，30（2）：246-248.

[4]董淏鸣，衣淑娟，赵斌，等.寒地水稻育秧大棚智能控制系统设计—基于单片机[J]，农机化研究，2015，12：26-29.

[5]崔世钢，韩少龙，吴兴利，等.智能植物生长柜环境测控系统的设计[J]，中国农机化学报，2015，36（2）：63-66.

[6]傅仕杰，张英梅，王乐.基于STM 32温室环境测控系统的研究[J]，农业网络信息研究，2010（12）.