基于温室大棚的自动化控制系统设计

2017-12-19深圳大学信息工程学院区耀中邱俊滔李宇威游俊德严子富文含和

电子世界 2017年23期

关键词：温湿度二氧化碳温室

深圳大学信息工程学院区耀中邱俊滔李宇威游俊德严子富柯婵文含和

基于温室大棚的自动化控制系统设计

深圳大学信息工程学院区耀中邱俊滔李宇威游俊德严子富柯婵文含和

本文分享了温室大棚自动化控制系统的设计结构与原理，分享了作者设计的经验教训，并且用此系统实现了对温室大棚的各个参数的控制。

温室大棚；自动化；控制；单片机；嵌入式

一、背景

传统的露天式农业过于依赖于变幻莫测的天气情况，对天气的变化非常敏感，而温室大棚内部的环境相对外界变化较为温和稳定，而且可以人为控制。因而，温室大棚可以广泛用于特定作物的耕作，而且能够广泛用于农业科研研究的基地。同时，随着中国经济的稳步发展，人们消费生活水平提高，人力成本也逐渐提高；并且科研人员对于特定场景的物种研究需要耕作实践。开发出自动化的温室大棚系统，不仅能够扩大温室大棚的优势，而且能够减少粮食生产的成本，增加农业科研人员的研发效率。高科技比传统耕作方法具有更高的抗风险能力，面对自然灾害，高效率的自动化辅助耕作可以在更短时间完成预防工作，尽力挽救损失。因而，我们团队花费了半年时间，进行了诸多实践得到了不少成果经验。我们在项目期间，设计了一个在本文中，把我们的经历与经验，与大家一同分享。

二、系统模型设计

我们团队对温室大棚的模型采用圆顶，一维的模拟农田进行设计。因而我们所有的灌溉设备只有一行置于农田正上方的适当部位。同时，我们在温室薄膜的两个侧面设计了一对通风孔，保持温室内的空气对流。在棚顶安置了补光灯。同时在内部放置了光敏传感器、温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器等。

三、系统硬件设计以及可行性分析

1.中央控制电路

本控制系统的中央控制电路采用的是ST公司开发的STM32F-103C8T6芯片，它基于ARM的Context-M3内核。对于我们这种实时性不高、数据量不太大的系统足够了。他的内部外设也足够丰富，能够应付大部分的应用场景。

2.外围控制电路

中央控制电路控制的是外围控制电路，包括三极管、继电器、电磁阀、数据传输模块（本系统使用ESP8266无线模块）以及各种传感器。

由于我们这里的控制涉及到小电流控制大电流器件，而且相差特别悬殊，我们使用了二级驱动电路。而芯片是一种低功率器件，其电压低、电流微弱，普通的STM32F1芯片系统总电流大概就200～300mA，每个引脚能够输出的最大电流也就是20mA，这么微弱的电流根本无法驱动额定电流2A的电磁阀。因而我通过三极管的电流放大作用，将约2mA的引脚输出电流放大至约50mA左右，用这个一级放大电流去控制一个继电器（型号：SONGLE SRD-05VDC-SL-C），利用继电器的开关特性去进行二级放大，控制电磁阀的2A电流，构成了整个2mA小电流控制2A大电流的系统。其他大功率设备控制也是通过这样的方式，这里就不一一概述。

3.外围传感器

（1）光敏传感器

光敏传感器安装于大棚顶部敞亮的位置，方便接收外界光线信号。这个传感器的设置是为了感知外部光照环境，判断是否需要开启或者关闭补光灯系统。

（2）土壤温湿度传感器

土壤温室度传感器安装于土壤正中，深度约为5cm左右，便于监测土壤的温湿度变化，用于决定是否需要启动或者关闭灌溉系统。

（3）二氧化碳浓度传感器

二氧化碳浓度传感器安装于距离土壤30cm的高度处，以监测棚内二氧化碳浓度来控制大棚内的排气扇，让大棚内的CO2浓度维持在合适的范围。

4.用户控制系统

由于部分操作需要用户操作，我们使用无线模块与用户的移动设备进行远距离交互。我们将无限发送模块作为TCP客户端并且连接上了校园内的无线网络，使其可以在校园网内实现互联互动。即便我身处宿舍，也可以远程操控。用户端可以通过发送指令干预中央处理器的行为。对于用户的指令中央处理器会进行处理并进行操作反馈与用户互动。让用户可以及时远程了解大棚状况。

图1 系统框架

图2 控制程序图流程图

四、系统控制逻辑

中央控制器负责对整个电路进行着逻辑控制。我们通过“控制-反馈”组成一个闭环系统。通过反馈回来的信息不断调节我们整个系统，来让系统状态达到最优（见图1、图2、图3）。

1.灌溉系统

通过土壤温湿度传感器监测出来的温湿度，比对我们的目标值，低于目标值则进行灌溉操作，高于或等于目标值就停止灌溉操作。

当然，由于我们要用两个参数来指导灌溉系统，因而两个参数需要设置相应的权重。一般我们默认为相同权重。但是有界限，一旦某一参数超过界限，则逻辑由该参数直接决定，直至参数回归到设定的界限。这是为了防止极端条件对大棚的稳定性造成影响。温度我们这这里设置的目标值为25℃，界限为18～35℃，湿度的目标值为白天55%，夜间83%，界限为20%浮动。当然，参数均可自行设置。

图3 光敏传感器与不同的匹配电阻的输出

2.补光系统

补光系统依赖于光敏传感器（型号：LXD/GB3-A1DPZT 1206线性光敏传感器）传回的值进行调控。由于平时阳光强度很大，一般阴天已经能够超过100 LUX，我们需要设定在日落或者傍晚这种弱光环境给予棚内植物合适的光线进行光合作用。我们根据实操经验给出的阈值约为30～50 LUX即可在夜间开灯，阴天不开灯。我们选择将光敏电阻串联100kΩ的电阻，让它在30～50 LUX具有较大的线性范围。

不同的光照程度电阻分得的电压是不一样的。我们根据这个系统的特点，用中央芯片的ADC内部外设监测该系统电阻上分得的电压水平，高于1.5V（我们的经验值，此值因不同的系统而异）我们就认为光照强度达到了阈值，关闭补光系统；低于则开启光照系统。

1.排气系统

排气系统依赖于二氧化碳浓度传感器的工作。如果在白天光照充足的情况下，闭塞的大棚无法让空气流通，二氧化碳没法从外界补充，而植物又消耗掉大部分的二氧化碳，甚至低于100μL/升，此时光合作用几乎停止；然而晚上植物的呼吸作用又会让大棚内充斥大量的二氧化碳，甚至达到1000μL/升，这些二氧化碳是第二天光合作用宝贵的物质，此时我们需要关闭排气来留住这些养料。只要监测到棚内二氧化碳浓度低于大气值，则打开排气系统；高于此值则关闭，尽最大程度让植物能够充分利用二氧化碳进行光合作用。

2.无线通讯系统

无线通讯系统与中央芯片共同协作。无线射频模块将收到的指令信息传回处理器，处理器解析出信息内容，做出相应的反应后将操作结果通过无线射频模块传回给用户。我们在程序预先设置了相关的操作指令，用户只要连上了大棚就会有“打招呼”内容。提示用户操作只要按照提示操作就能正确指挥系统。