一种温室大棚智能控制系统的设计

张巍然　侯艳红

一种温室大棚智能控制系统的设计

张巍然侯艳红

（陕西国防工业职业技术学院陕西西安710300）

文章对目前现有的温室大棚温度、光照、湿度等调节方式进行了分析，指出了存在的问题，通过模块化设计的思路，设计出了一种智能控制系统，该系统可实现大棚的温度、湿度、光照的智能控制，并对有害气体检测并报警，达到无人值守和精确管理的目的。

温室大棚；智能控制

1 引言

温室大棚在农业生产中应用非常广泛，它为广大百姓提供了以往任何季节的蔬菜和水果，目前温室大棚普遍使用卷帘机来控制大棚内的光照，主要采用现场人工上电的方式以控制卷帘机的升降[1]，对于何时开启卷帘机、何时关闭卷帘机、光照的时间长短、光照强度的控制完全取决于人的主观判断和实际操作，而对于温度和湿度的控制除了使用卷帘机控制光照的方式外，温室大棚都留有风口，主要靠人工拉动风口绳子的办法来进行，不但费时、费力，而且这种温度控制的方式完全取决于个人经验；另外由于使用肥料、加温、聚氯乙烯棚膜等原因大棚内存在有害气体，包含氮气、氨气、亚硝酸气体、乙烯、一氧化碳等，需要对其进行检测并报警。综上所述，需要科学合理的机制来管理运行温室大棚,来促进效率的提高和安全的运行。本论文通过STM32 系列处理器实现了大棚的温度、湿度、光照的智能控制和有害气体检测报警，达到无人值守和精确管理的目的。

2 方案设计

为了实现无人值守和精确管理的功能，该系统需要对大棚内的温度、湿度、有害气体、关照等进行检测，然后通过软件算法对卷帘机和通风口进行自动控制，实现温度、湿度、光照在一个合理的区间范围，当有害气体超标时需要自动开启通风风机的高速转动，以尽快排除有害气体，通过声光报警提示用户引起重视。

该系统原理框图如图1所示。

图1　原理框图

各部分功能如下：

CPU及外围电路：整个系统的控制核心，将采用CPU及外围电路配合温度检测电路、湿度检测电路、光照检测电路、有害气体检测传感器、继电器控制电路、无刷电机控制电路、声光报警器，配合软件算法来完成对卷帘机和窗口风机的控制，对有害气体的检测和告警。

温度检测电路、湿度检测电路：用于通过传感器和对应的放大电路采集温度、湿度数据；无刷电机驱动电路用于控制窗口电机的开关和转速；最终通过CPU结合AD转换得到温度，结合频率信号的测量完成湿度的检测，结合软件算法控制窗口电机，以自动调整室内的温度、湿度。

光照检测电路用于采集光照的数据CPU结合I2C接口得到光照的数字量，再将光照数据结合客户设定时间和本地时间，控制继电器来驱动卷帘机的升降，以达到无人值守的功能。

有害气体检测电路主要用于检测室内的有害气体，由于使用肥料、加温、聚氯乙烯棚膜等原因其有害气体包含氮气、氨气、亚硝酸气体、乙烯、一氧化碳等，因此需要对其进行检测；声光报警电路通过发出醒目的闪光和尖锐的声音来报警；CPU结合传感器得到对应有害气体含量的数字量，当气体浓度超过用户出厂设定的门限值时，结合软件算法控制窗口电机高速转动，同时启动系统的声光报警功能，提示室内作业人员引起注意。

3 硬件设计

3.1 CPU和外围电路设计

CPU采用STM32 F103 C8T6，该CPU是整个系统的控制核心，优越的性能可以实现本系统的各项功能。

该处理器属于ARM系列32 位的Cotex-M3系列经典处理器，本设计连接外部8MHz有源晶振Y1后经过内部倍频，使得具有72 MHZ的系统工作频率，可以极大的提高本系统的运行速度。

内部具有2个12 位的AD转换器，本设计利用PA6接口实现了温度模拟信号PT_OUT的AD转化。

4个16 位定时器，每一个都有4路捕获和PWM端口，本设计PWM接口PB6、PB7、PB8连接HIN1、HIN2、HIN3实现对无刷电机的PWM调速，结合定时器的捕获接口PA0连接无刷电机霍尔信号H1，实现了对电机转速的测量，从而实现了电机转速的闭环控制，提高了温室大棚的窗口控制性能；同时定时器的捕获接口PA1测量湿度传感器输出频率信号F_HS1100 ，从而实现湿度测量功能。

I2C接口PB10 和PB11 对应I2C2_SCL和I2C2_SDA，分别连接光照传感器，实现了光照的测量。

UART接口PA9和PA10 ，TX和RX连接RS485 转换电路，通过有毒有害气体探测器实现对有毒有害气体的检测，然后IO口PB14 连接WARNING端口驱动继电器控制声光报警器。

3.2 温度检测电路设计

图3　温度检测电路

测温电路如图3所示，采用采用PT100 温度传感器，该传感器采用铂热电阻，当温度为0 ℃时，对应阻值为100 欧姆，阻值伴随温度正向增长[2]。但是传统的二线制PT100 ，温度每升高一度，电阻将增大0.39 欧姆，由于测温系统安装原因往往需要测温点的距离有所不同，所以PT100 的因为线本身有电阻导致线电阻差异，最终影响了测温精度。因此本设计采用三线制PT100 ，使用时将一端接电源，另外两端分别接电阻桥的桥臂上，这样可以有效的补偿线长引起的测量误差。另外，补偿用的电压基准一定要准确，因此本电路采用TI的电压基准芯片REF302 ,将3.3V转2.5V，同时该桥的其他电阻用0.1%精度以提高电桥测量精度。由于PT100 接在一个桥臂上，当温度发生变化时引起电阻值变化，最终引起桥臂的输出电压PT1_S+~PT1_S-的变化，本设计采用仪表放大器AD8231 对电压信号进行64 倍放大处理，最终将模拟放大信号接到CPU的AD采样接口PA6，完成电压信号的模拟转数字，然后在CPU中通过电压值除以放大系数得到PT100 电阻上面的电压，再利用分压公式算出当前PT100 电阻值，最终通过查表法得到温度值。

3.3 湿度检测电路设计

湿度传感器使用HS1100 ，它是一种固态聚合物结构，也叫湿敏电容。其特性是电容值随着空气湿度的增大而增大，在0~100 %RH相对湿度范围内，对应电容范围从160 pf到200 pf[3]，因此本设计将通过NE555 定时器的2脚和6脚连接HS1100 ,通过R1和R3对其充电，通过电阻R3连接7脚对其放电，因此构成一个典型的多谐振荡器，其充电时间与电容值成正比，放电时间与电容值也成正比，因此最终输出的方波周期与电容值成正比。所以HS1100 配合NE555 产生方波信号，当湿度变化对应电容发生变化，NE555 输出方波的频率随之发生变化，因此可由处理器的定时器捕获接口PA1来采集该信号的频率，最终由频率和湿度的对应关系来计算对应的湿度值。

3.4 光照检测电路设计

光照度测量采用BH1750 传感器，该光照度传感器BH1750 是基于IIC总线，本设计将连接CPU对应的I2C2接口PB10 和PB11 。当发送“连续高分辨率模式”指令0x10 即可读取数据，然后通过I2C接口读取光照度数据。

3.5 无刷电机控制电路设计

无刷电机控制电路，采用H桥驱动控制电路，电路如图4所示，通过6个大功率场效应管两两串联，其中间公共端分别接三相直流无刷电机的三个相位输入端U、V、W。其中Q1、Q2、Q3分别控制三相电流的流入，Q4、Q5、Q6分别控制三相电流的输出。采用CPU的PWM控制引脚PB6、PB7、PB8分别接通过H桥驱动芯片对应PAT、PBT、PCT，IO引脚PA7、PB0、PB1连接H桥驱动芯片对应桥式驱动电路的下端PAB、PBB、PCB，通过CPU的PWM方式通过PAT、PBT、PCT来调整Q1、Q2、Q3的电流，通过PAT、PBT、PCT、PAB、PBB、PCB控制无刷电机换向和死区控制。

3.6 有害气体检测及报警的实现

有害气体检测采用多个工业级的专用探测器，检测室内的氮气、氨气、亚硝酸气体、乙烯、一氧化碳等有毒有害气体，该类型探测器采用485总线接口的方式和CPU连接，CPU通过串口连接RS485电平转换电路，获取探测器的采集数据。报警功能是通过继电器驱动工业级12V声光报警器来实现的，该声光报警能发出醒目的闪光和尖锐的声音。当气体浓度超过用户出厂设定的门限值时，结合软件算法控制窗口电机高速转动，以快速的排出有害气体，同时CPU驱动继电器启动声光报警功能，提示室内作业人员引起注意。

4 小结

温室大棚在农业生产中应用非常广泛，传统温室大棚普遍使用卷帘机来控制大棚内的光照，对光照、温度和湿度主要靠人工个人经验进行，不但费时、费力而且非常不科学。本论文通过STM32系列处理器实现了大棚的温度、湿度、光照的智能控制和有害气体检测报警，达到无人值守和精确管理的目的，为温室大棚作业的效率提高和安全运行提供了有力的保障。

[1]崔玉祥,赵亮,赵慧芳,等.日光温室卷帘机控制技术现状及发展研究[J].农业技术与装备,2019(04):50-51.

[2]王青.基于PT100的温度测控系统的设计与仿真[J].计算机测量与控制,2019,27(09):47-50+56.

[3]冷芳,裴洲奇.基于湿敏电容HS1101的环境湿度传感器RHS01的设计[J].焦作大学学报,2017,31(02):73-75.

TP273.5

C

2095-1205(2019)09-46-03

10.3969/j.issn.2095-1205.2019.09.25