植物生长柜控制系统的研究与设计

田彦彦

(郑州工业应用技术学院机电工程学院，河南 郑州 451100)



植物生长柜控制系统的研究与设计

田彦彦

(郑州工业应用技术学院机电工程学院，河南 郑州 451100)

摘要：设计了一种基于LED光源的植物生长模拟环境系统.该植物生长柜控制系统主要由触摸界面操作系统和控制系统两大部分组成，两者之间通过RS485模块进行通讯.控制系统以ATmega128L单片机为主控核心，界面操作系统采用Cortex_M3为内核的32位处理器STM32F103VC，并配置7寸TFT触摸屏，利用μC/GUI编写简单的人机界面，实时监控植物生长柜内的环境参数，并且通过设定各种参数以模拟出植物的多种生态环境，有利于个性化地培养各种植物.

关键词：植物生长柜；ATmega128L；传感器；LED光源

进入21世纪，随着社会经济的发展和生活质量的提高，人们开始有了对安全无公害蔬菜的需求和现代农业体验的向往，“家庭植物工厂”概念应运而生[1].本文依据目前植物工厂的发展趋势，设计了一种适合在家庭领域应用的小型植物工厂——植物生长柜.植物生长柜可以对植物生长所需的光照、温度、湿度、CO2浓度等环境条件进行设定、调节和自动控制.该生长箱设置有植物培养系统、传感器数据采集系统、环境调节系统和控制系统等，能够模拟出适合植物生长的生态环境，从而创造出家庭植物工厂.该植物生长柜既可以满足高性价比的需要，又可以满足日常生活的需要，进而提高了人们的生活水平.

1植物生长柜的组成及设计方案

1.1植物生长柜的组成

图1　系统结构框图

针对植物柜生长系统要实现的功能，分模块设计系统软硬件.控制系统运用RS485[2]通讯技术使AVR单片机和Cortex_M3为内核的32位处理器STM32F103VC处理器进行通讯，AVR单片机对植物生长所需的光照、温度、湿度、CO2浓度等环境条件进行自动控制，使设施内的植物生长不受自然条件的制约.STM32F103VC处理器作为上位机调节和设定光照、温度、湿度、CO2浓度等环境参数，该系统结构框图如图1所示.

1.2植物生长柜设计原理

植物生长柜主要由触摸彩屏和32位处理器STM32F103VC组成的上位机和由单片机、温度传感器、湿度传感器、CO2传感器、LED和水泵等组成的下位机两部分组成，两者之间通过MAX485模块进行通讯，从而实现植物生长柜为植物生长提供所需的最佳温度、湿度、光照度和二氧化碳含量等必需生长条件.

2系统硬件设计

2.1电源模块

本系统的电源共有AC220V、DC24V、DC6V和DC5V四种，输入为AC220V.首先通过开关电源转换为DC24V给水泵和LED供电，再经过开关电源芯片LM2576转换为DC5V供给单片机和其他附件.LM2576可以提供3A的输出电流，具体电源电路如图2所示.

图2　LM+2576系列开关稳压电路

2.2LED光源模块

LED光源模块采用中国科学院半导体研究所设计的LED光源板[2].该LED光源板由多个强光型的红光和蓝光LED组成，且以混合方式配置，所产生的红光波长范围为600～700nm，蓝光波长范围为400～500nm，满足植物光合作用所需的光照条件.此外，该光源板可以通过串口对红、蓝光的光强进行控制，以便满足不同植物对光照的需求.

对于责任的两种不同含义的解读，尤其是对实质责任的强调，表明约纳斯实际上扩展了一般意义上的责任观。在比较了形式责任与实质责任之后，约纳斯指出，技术时代的道德事实，需要的正是这种实质责任和责任感，而非每一行动者对其行为负责的空洞的形式责任。[34]在这个意义上，约纳斯区分的实质责任正是“未来责任”。

2.3界面操作系统

界面操作系统采用以ARM Cortex-M3为内核的32位处理器STM32F103VC.该处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，具有高性能、低功耗、成本低等优势.它的工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节SRAM)；具有丰富的增强I/O接口和联接到两条APB总线的外设；包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN[3].

2.4传感器模块

为了给出不同时期植物生长所需的最佳环境参数，并生成合理的控制方案，该系统配置有温湿度传感器、CO2浓度传感器等，可以对温度、湿度、CO2浓度进行采集，以便与植物生长所需要的最佳气候条件进行比较分析，并为控制提供依据.根据作物生长柜中植物生长需要采用SHT75温湿度传感器.这是一款高度集成的温湿度传感器芯片，它将温度感测、湿度感测、信号转换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，输出直接为数字信号[4].

2.5执行系统模块

执行系统包括通风机、加热器、制冷器、水泵等设备, 它是自动控制系统的执行者，用来实现对各环境参数的调节.单片机发出的控制信号与输出电路的直流继电器相连，继而控制各种外部设备.

3系统软件设计

本系统软件设计包括主控控制系统程序设计和界面操作程序设计两部分.

控制系统程序主要由单片机完成，其功能有环境参数的数据采集、外部设备的控制以及数据的通信.它包括的功能模块有：数据采集模块、外设控制模块及通讯模块.

图3　主控控制系统程序流程图

(1)数据采集模块：根据植物生长所需要的环境条件，需要采集的环境信息包括温度、湿度、光照度和CO2浓度.温湿度的采集由单片机的IO口直接与温湿度传感器SHT71的接口相连完成数据的采集[5]；CO2浓度的采集由单片机的ADC完成，把采集到的电压值经过处理转换成浓度值.

(2)外设控制模块：需要控制的外部设备主要有LED光源、通风机、加热器、制冷器及水泵等，单片机发出的控制信号与输出电路的直流继电器相连，分别控制外设的运行，工作流程图如图3所示.

(3)通讯模块：通讯模块是利用RS485串口与界面操作系统进行数据的传输，以实现环境参数与外设开关状态的上传，同时接收界面操作系统的控制信息，更新自身的控制状态.

3.2界面操作程序

界面操作程序所要完成的功能主要有人机交互操作界面的设计以及与主控系统的数据通信，人机交互界面通过μC/GUI编写.μC/GUI是一种用于嵌入式应用的图形支持软件.它被设计用于为任何一个使用图形LCD的应用提供一个有效的不依赖于处理器和LCD控制器的图形用户接口.它能工作于单任务或多任务的系统环境、专用的操作系统或者任何商业的实时操作系统.

人机交互界面采用菜单方式，具有环境参数显示、模式选择、参数设定等功能，其主界面如图4所示，界面操作程序如图5所示.

图4　人机交互界面

图5　界面操作程序流程图

4系统功能调试

4.1系统硬件调试

系统硬件调试主要对已经焊接好的电路进行调试，其调试对象有：系统电源调试，ATmega128L单片机的最小系统调试，以及系统模数转换器模块的基准电压电路调试，当接通电源后测量基准电压电路的输出基准电压值是否是稳定的直流5V电压；系统的负载增加后，观察基准电压输出电压的变化.测试结果是基准电压输出的电压值不受负载的变化而改变，此外还要进行系统MAX485功能模块调试.对于控制系统，如果能使RE与DE功能相联系，则当通信成功以后，会自动上传采集到的数据.对于界面操作系统，则有选择性地顺序接收数据.

4.2系统软件调试

系统软件调试主要对已经调试好的电路进行软件调试.如系统液晶显示软件调试是通过ICCAVR软件编写程序，根据液晶模块的通信时序和控制寄存器编写程序，把写好的程序下载到单片机中，然后观察液晶显示屏上显示的内容与程序编写的内容是否一致，并根据屏幕上显示的内容对程序进行修改.此外还有MAX485模块软件调试、传感器调试和模数转换器软件调试.最后进行联机调试，根据通信的协议编写程序，分别把单片机与ARM通过MAX-232进行连接，通过串口调试助手软件进行调试.

5结论

随着植物工厂在世界各国的广泛发展及人们对生活质量的关注越来越多，“家庭植物工厂”的发展也越来越快.本文设计的这套基于LED光源的植物生长环境模拟系统正是对此理念的一种实现，该系统设计简单，成本、功耗相对较低，控制简单可靠，较好地模拟出适合植物生长所需的生态环境，可以对未来家庭植物工厂的发展起到一定的推动作用.经过试验验证，该系统运行正常、可靠，达到了设计要求.

参考文献：

[1]张成波,杨其长.植物工厂研究现状与发展趋势[J].华中农业大学学报，2004,(z2):34-37.

[2]杨其长.LED在农业领域的应用现状与发展战略[J].中国科技财富, 2011,(1):52-57.

[3]张舞杰,南亦民.基于STM32F103VB的应用编程技术的实现[J].计算机应用,2009,(10):2820-2822.

[4]陈树成,杨志勇,王科.基于MG811探头的二氧化碳采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2014,(1):47-50.

[5]于华丽,赵晓顺,刘淑霞,等.传感器SHT71在温湿环境检测系统中的应用[J]. 农机化研究,2008,(5):151-153.

(责任编校：晴川)

Study and Design of Control System for Plant Growth Cabinet

TIAN Yanyan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou College of Technology and Industrial Application,Zhengzhou Henan 451100, China)

Abstract：This paper designs a simulation environment system for the plant growth based on LED light source. The control system of crop growth cabinet is mainly composed of the touch screen interface system and control system, which communicate with each other through the RS485 module. The control core of the control system is ATmega128L single chip microcomputer, and the interface operating system uses 32-bit processor STM32F103VCwith Cortex_M3 as the kernel. The control system configures 7 inch TFT touch screen, uses μC/GUI to write simple man-machine interface, realizes real-time monitoring of plant growth environmental parameters in the cabinet, and simulates a variety of ecological environments of the plant by setting various parameters. So it is beneficial for the customized cultivation of all kinds of plants.

Key Words：plant growth cabinet; ATmega128L; sensor; LED light source

中图分类号:TP29

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2016)02-0067-03

作者简介：田彦彦(1987— )，女，河南驻马店人，郑州工业应用技术学院机电工程学院教师，硕士.研究方向：智能控制与检测技术.

收稿日期：2016-03-06