基于ARM的温室大棚智能系统的设计

广东理工学院 任 瑾 吴 琼 徐殿双

基于ARM的温室大棚智能系统的设计

广东理工学院 任 瑾 吴 琼 徐殿双

以加快我国农业现代化发展进程为目的，提出了一种低成本高性能的智能温室控制系统。系统主要包括数据采集单元和控制单元两部分，以STM32为核心控制器，对温室大棚中的空气温湿度、光照、CO2浓度等环境参数进行监控的同时，通过模糊控制算法对温室内的调控设备进行控制，进而建立保证一个适合农作物生长的最佳环境。通过反复实验表明，该系统可靠性高，扩展性强，可满足农业上对温室大棚监控系统的要求，有助于降低农民劳动量和提高作物产量。

智能温室控制系统；STM32；环境检测；模糊控制

0 引言

众所周知在我国传统农业生产效率相对较低且受自然环境影响大，而今随着经济的快速发展，工业和住房用的增多使得耕地面积逐年减少。为了提高农作物的单位面积产量，人们先是利用了温室大棚，它的出现对农业的发展起到了质的飞跃，而今科学技术的高速发展，人们将高科技应用于农业生产，更有利于我国的农业向现代化发展的进程。农作物在大棚中的生长除了与自身的遗传特性有关外，还与棚内空气的温湿度、二氧化碳浓度、光强、土壤湿度等因素有着密不可分的联系。如何利用科学技术手段创造一个适合农作物生长的最佳环境显得尤为重要，在经过大量的研究对比发现，大部分果蔬类作物而言，一般白天适宜生长的温度为23～28度，夜间为10～18度[1]，空气相对湿度一般在50%～85为宜[2]，在此范围内最有利于作物生长，此外光照强度、CO2浓度和土壤的湿度也都直接或间接的影响到农作物的光合作用。

本文提出的智能温室控制系统集计算机控制技术，传感技术，通信技术，农业技术等为一体，按照农作物的生长规律，根据棚内环境参数的变化随时对温室进行调节控制策略，达到最有利于农作物生长的最佳状态，以提高单位面积农产量的目的[3]。

1 系统的总体结构

系统主要包括数据采集单元和控制单元两大部分，其中以STM32为核心控制器进行控制，数据采集部分以IAP15F2K611S2为主，将检测到的数据上传给STM32后，经过调控设备单元对温室内的光照补偿灯、CO2发生器等执行机构进行控制。系统采用模糊控制方法对温湿度进行调节，通过设置光照强度的上下限来调节光强，当外界弱光时可打开补偿灯进行补光，否则打开遮阳网，进而保证光强的最佳范围；利用液态CO2发生器通过控制继电器实现浓度调节；采用膜下滴灌技术通过电磁阀控制土壤的湿度和营养调节[4]。本文设计的温室大棚智能控制系统将模糊控制、专家知识等智能决策与传统的反馈控制相结合，实现对温室环境参数的智能调节[5]。

2 硬件组成

系统的硬件主要包括数据单元和控制单元两部分，数据单元主要完成空气的温湿度检测、土壤湿度、光强等环境数据的采集，而后送给控制单元；控制单元负责数据显示、控制、参数设定等功能。

2.1 控制单元模块

控制单元的硬件框图如图1所示，采用核心控制器是STM32F103的最小系统，人机交互模块采用的是HYW240128ALCD液晶显示屏,键盘模块选用独立式接口模式共6个按键，用以数据阀值得设定和控制模式的选取；通信模块根据现场所处环境等综合因素选用的是RS485通信。因为人机交互模块和通信模块电路比较通用，本文在此不进行阐述。系统控制的输出单元是执行机构，执行机构有光补灯（220VAC控制）、CO2发生器（220VAC控制）、水肥控制阀（24VDC控制）等。当检测到的数据送入处理器中后，处理器将其与预先设定好的值进行对比再根据软件控制规则，发出相应控制的开关量信号。本文以控水阀模块为例，其电路如图2所示，控制器通过PE11引脚发出开关信号，当PE11=0时，光敏三极管导通，继电器吸合，控水阀门打开，反之关闭。

图1 控制单元的硬件框图

图2 控水阀模块电路

2.2 数据单元模块

数据单元的框图如图3所示，采用IAP15F2K61S2芯片为主，完成对空气的温湿度、土壤湿度、CO2浓度和光强的检测。系统对空气温湿度检测模块选用的是DHT11复合型数字传感器与IAP15的P0.0口连接；针对棚内光强特点，光强采集模块选择的是数字光模块GY-30，双串口数据线与P0.3和P0.4口连接,设计中ADDR端接地，芯片地址配为0x46；CO2浓度检测选用TGS4161模块，输出的模拟信号连接P1.3引脚,其电压范围为0～2V，无需调理电路可直接与AD连接；土壤湿度检测模块采用的是YGC-TS系列传感器，采用驻波原理的土壤含水率测量方法，得到的是土壤真实水分含量[6]。电路中为了减少干扰与LM358连接，它相当于电压跟随器，传感器输出的信号经过它后送给控制器中的ADC引脚进行模数转换。采集单元模块的部分电路图如图4所示。

图3 数据采集单元的框图

图4 采集单元模块的部分电路

图5 主程序流程图

3 系统软件设计

主程序是整个软件的关键部分，其框图如图5所示，系统初始化后将系统的调控设备关闭，主程序进入不断往复循环,用于完成按键的扫描、数据的传送、超限控制、上下限报警等功能。主程序中超限控制包括模糊逻辑控制和开关量控制两种，本设计中空气温湿度根据模糊控制，通过查询模糊逻辑表进行调节；而土壤湿度、CO2浓度和光强度采用开关量控制方式，当某一参数越限时，系统发出一个数字信号经过光耦隔离和信号驱动放大电路控制相应的调控设备开关，调节改变该参数的执行机构动作[7]。

设计中采用的模糊控制的优点是无需建模，是处理大惯性系统问题时的首选且简单有效。它把人工控制经验总结成一定的规律，对其模糊数学定量化，从而实现智能控制[8]，其部分推理流图如图6所示：

图6 模糊推理系统流图

首先将采集到的数值与设定值对比，计算偏差е和偏差变化率Δe，然后判断他们是否超出了系统所设定的基本论域范围，大于上限则称为为上限值，小于下限称为下限值，在其范围内时进行下一步处理。进行模糊化处理前需将这两个值量化，之后查表，获取输出U的模糊量[9]，最后去模糊化得出精确的控制量。

图7 大棚内外温度变化折线图

图8 大棚内外湿度变化折线图

4 实验结果与展望

在实验室搭建智能控制系统，分别对软硬件进行调试，经反复调试无误后，在温室中进行安装，现场测试。因为在温室当中温度和湿度这两项是主要参数，所以本文以棚内外温湿度进行对比测试验证系统的准确性。 系统测试时间为早7点到下午19点，设定最佳温度为23度，湿度为65%RH。每隔一小时测试一次。其温湿度对比折线图如图7和8所示。通过图7和图8可直观的看出大棚内空气温湿度的变化平缓，温湿度数值能够稳定保持在作物最佳生长范围内。因此，控制系统能够实现对主要环境参数的调控，基本达到了设计要求。温室大棚系统是一个相对复杂的控制系统，集合了多种技术于一体，因为外在因素限制及个人经验的缺失，系统仍存在不足，比如还不能进行无线数据通信，不足之处还须要进一步完善研究。

[1]孙環,刘捷,李裕.设施农业的温室环境调控问题分析与研究机[J].湖南农机:学术版,2012(3):45-46.

[2]魏亭,杨盛泉,刘白林.基于RS485总线的温室大棚集散控制系统的研究与设计[J].西安工业大学学报,2013,33(9):706-711.

[3]王振寒.蔬菜温室大棚智能控制系统的设计[J].消费电子,2013(16): 100-100.

[4]杨国成.摸下膜下滴灌节水技术的应用和意义[J].农业科技与信息,2012(21):33-34.

[5]王振宇,成立.基于模糊控制的温室调节装置的研究[J].浙江大学学报:农业与生命科学版,2013,32(2):195-199.

[6]徐立鸿,苏远平,梁毓明.面向控制的温室系小气候环境模型要求与现状[J].农业工程学报,2013,29(19):1-15

[7]李化,刘长化,王寐.模糊控制在室温控制中的应用[J].辽宁工业大学学报自然科学版,2014,30(1):60-63.

[8]孙静.基于模糊控制的智能灌满系统的研究[D].山东大学,2014.

[9]钱稷,周娟,张广华.基于模糊控制的温室内土壤湿度智能监控系统设计[J].农业工程学报,2015,34(5):121-126.

Design of the Ggreenhouse Iintelligent System Based on ARM

REN Jin，WU Qiong，XU Dianshuang

（Guangdong Polytechnic College，Zhaoqing ,526100，China）

To speed up the process of agricultural modernization in our country，proposes a low-cost high-performance intelligent greenhouse control system. The system mainly includes two parts: the data acquisition unit and control units，use STM32 as the core controller，monitoring the temperature and humidity in greenhouses，light，CO2 concentration and other environmental parameters at the same time，through fuzzy control algorithm to control equipment，and ensure a best environment suitable for crop growth. Through repeated experiments show that the system has high reliability，strong expansibility，can meet the requirements of agriculture for greenhouse monitoring and control system，help to reduce farmers’labor and increase crop yields.

Intelligent greenhouse control system；STM32；Environmental monitoring；Fuzzy control

任瑾（1989—），女，辽宁朝阳人，硕士研究生，主要研究方向：计算机测控技术、电气自动化技术。

吴琼（1989—），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，主要研究方向：状态估计、信息融合、电气自动化技术。

徐殿双（1987—），男，黑龙江安达人，硕士研究生，主要研究方向：能源材料、电子技术。