植物生长环境测控系统设计*

2018-09-27邹丰谦邱成军

传感器与微系统 2018年10期

邹丰谦，邱成军

(黑龙江大学电子工程学院,黑龙江哈尔滨 150080)

0 引言

以物联网、云计算、大数据等为代表的新一代信息技术已广泛应用于各种农业领域。国外开发了一种基于跨平台移动地理信息系统(geographic information system,GIS)的便携式农业信息采集系统，可以捕获农田全球定位系统(global positioning system,GPS)坐标、农业属性数据、图像信息，并即时由G网络或通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)网络将其发送到监控系统，实现了植物环境信息的采集、定位。野外培育植物存在需要大量的人力来管理导致成本提高问题，往往需要远程无线操作；农作物一般生长在野外，受限于地域电力资源差异，系统供电问题就很难解决。本文提出了一种基于太阳能供电的植物环境测控系统。该系统基于STM32单片机，可以完成植物环境的监测和自动控制，应用太阳能电池板自动跟踪太阳光储能供电，具有较高光能转换效率，解决了野外供电困难的问题[1]。

1 植物生长环境测控系统的设计

1.1 系统总体设计方案

本系统的设计目标是实现植物环境的监测和自动控制，同时解决野外供电问题。而植物环境的监测和自动控制，其实就是对土壤环境的温湿度及光强进行实时监测与管理；户外供电问题可利用太阳能为电池充电实现。针对这一目标，本系统可以分为两大部分：太阳能供电模块设计和土壤环境管控模块。图1为系统的整体结构框图。

图1 系统整体结构框图

1.2 基于STM32的土壤环境监测模块

1.2.1 温湿度光强传感信息采集

系统实现了对作物周围空气温湿度、光照强度、土壤温度、土壤含水量等多参数信息的测量，LCD1602作为显示器输出信息。测量参数的基本要求[2]为:气温度测量范围为-0～50 ℃，准确度为±3.0 %；空气湿度测量范围0 %～99 %RH，准确度为±5.5 %RH(25 ℃);土壤温度测量范围为-0～50 ℃，准确度为±2.5 %；土壤湿度测量范围为0 %～99 %RH，准确度为±5.5 %(25 ℃)；光强测量范围为50～40 000Lx,准确度为±3.5 %。

湿敏电容式数字传感器AM2302用于收集温度和湿度。温度测量范围为-40～80 ℃，分辨率为0.1 ℃，精度为±0.5 ℃;湿度测量范围为0 %～99 %RH，分辨率为0.1 %RH，精度为±2 %RH(25 ℃温度)[3]。GY—30数字式光强度传感器用于采集光强度，测量范围为0～65 535 Lx。

使用SMET—2的传感器测量土壤温湿度。SMET—2传感器是一种基于介电技术理论的土壤性能传感器，它采用双频技术，设置土壤温湿度，具有湿度补偿、温度补偿算法，可通过RS—485接口与微控制器连接湿度测量范围为20 %～90 %RH,温度测量范围为-40～85 ℃，湿度测量准确度±3 %(0 %～53 %)±5 %，温度测量准确度小于0.3 ℃[4～6]。

选择光照传感器对光照强度进行检测。该传感器在光强达不到设定阈值时，DO口输出高电平；当外界环境光强超过设定阈值时，DO输出低电平。

1.2.2 全球移动通信系统短信控制电路

农业领域常用的通信方式主要是基于GSM，GPRS，码分多址(code division multiple access,CDMA)等通信的手机网络，具有传输距离远、实时性强等特点[9]。

本系统选择SIM800A模块实现对系统的远程短信信息交互操作。其工作频率为GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以低功耗实现语音、短讯服务(short messaging service,SMS)和数据信息的传输。图2为GSM短信控制电路设计。

图2 GSM短信控制电路设计

1.2.3 发光二极管补光电路设计

研究发现，植物光合作用需要的光线其波长在400～700 nm左右,其中400～500 nm(蓝色)的光线以及610～720 nm(红色)对于光合作用贡献最大。为提高光合作用效率，本系统选用对植物光合作用利用效率最高的高亮LED进行红蓝色交替补光。土壤环境监测控制模块软件设计流程如图3所示。

图3 土壤环境监测调理模块程序流程

1.3 太阳能充电模块

1.3.1 步进电机驱动电路设计

具有自动太阳光跟踪功能的太阳能供电模块选择型号为28BYJ—48的4相5线5 V的步进电机，由于单片机的驱动能力弱，所以还需要通过ULN2003来驱动步进电机。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器处理数据[10]。光照强度对比追踪模式将光信号转换为电信号，并以A/D转换芯片转换成数字信号。光强差决定步进电机旋转方向，控制太阳能电池板自动追光。系统通过对光照强度等参数进行对比分析，确定参数设置。图4为步进电机驱动电路。

图4 步进电机驱动电路设计

1.3.2 太阳能电池充电模块硬件设计

充电模块主要由一块工业级太阳能电池板、后端稳压限流电路和锂电池组成，太阳能电池后端稳压限流电路主要采用升降压芯片作为主要控制器，外置60V/75A MOS管作为开关管，双60V/5A SS56作为整流模块，性能优于市面上XL6009/LM2577稳压限流方案。采用4节18 650可充电锂电池，额定电压为3.7 V，每个电池容量为2 500 mA·h。电源模块具备短路保护及输出电压电流宽限调节功能。本系统采用短路电流为250 mA太阳能电池板为系统充电，满足系统供电需求。

2 系统硬件测试与误差评估

2.1 系统硬件测试实验

实验对象：太阳能供电植物环境监测系统，以MARK1.0命名，具有实现对土壤环境温湿度监测、自动浇水、自动补光以及GSM短信远程控制等功能且系统中太阳能电池板具有自动跟踪太阳光功能。本文为系统制作了一个模型封装结构，如图5所示。

图5 太阳能供电植物环境监测系统整体结构

设定当土壤环境相对湿度低于35 %RH的时候进行自动补水，光照传感器检测环境中光强低于设定阈值时进行自动补光，采用手挡住光照传感器进行模拟测试。如图6所示。经过对本系统进行短信遥控通信测试，短信控制相关指令操作及反馈信息是：发送“get”获得当前土壤环境的温湿度；发送“jiaoshui”执行浇水操作并且回复“OK!”；发送“buguang”执行补光操作并且回复“OK!”。

图6 自动补水、补光测试

2.2 系统软件测试实验

在实验环境中，系统连续运行超过48 h，测量结果每2 h记录1次。土壤温度湿度采集误差测试曲线如图7所示，为AR837数字温湿度仪的随机连续25次实验温湿度结果：温度最大绝对误差为+2.0 ℃平均相对误差为3.56 %，R为0.975 6；湿度最大绝对误差为-4 %RH平均相对误差为5.52 %，R为0.998 0。