智慧大棚控制系统设计

2020-03-04张顺锋温宗周田强明张阳阳

微处理机 2020年1期

张顺锋，温宗周，田强明，张阳阳

（西安工程大学电子信息学院，西安710600）

1 引言

我国是农业大国，农业的发展对于国家经济意义重大，而水资源是农业的命脉[1]。我国作为缺水国之一，对水资源的充分利用就显得尤为重要，但传统的灌溉方式对水资源造成了极大的浪费。《“十三五”农业科技发展规划》中指出“充分发挥科技对加快农业现代化建设、促进农村经济社会发展的重要支撑引领作用”，因此发展智慧农业节水灌溉技术响应了国家科技发展的号召，既可实现节约水资源的目标，又可促进现代化、智能化农业技术发展，这对国家经济建设具有重要的战略意义[2]。

2 系统整体设计

基于我国国情，融合物联网、嵌入式、传感器、智能控制和无线通信等技术，开发出一套基于STM32的智慧农业系统，系统结构图如图1 所示，该系统采用三层结构模型，包括农业物联网感知控制层、网络传输层和应用服务层[3]。其中，感知层通过传感器采集大棚内土壤温湿度、空气温湿度、光照强度和CO2 浓度等环境因子，将采集数据通过无线网络传输至中心站，然后通过应用层的计算分析得到控制指令并通过网络传输层发送给感控层来控制继电器、电磁阀、电机、灯等，从而调节大棚环境（土壤湿度、温度、CO2含量等），使作物生长在适宜的环境，有利于提高产量[4]。

图1 系统结构图

3 硬件设计

3.1 电源电路设计

本系统的主控模块采用的是太阳能供电系统。太阳能输出电压为12V，并将其存储在电池上，最后将12V 电压通过5V 转变和3.3V 转变后供给微处理器。此设计的优点是不需要额外的供电电源，太阳能板给蓄电池充满电后可用20 天以上，成本低，可靠性高。其中12V 转5V 电压芯片选用LM78M05 芯片，5V 转 3.3V 电压芯片选用LM1117 芯片，其电路图如图2 所示。此两种芯片是稳定性良好且高效、低功耗的电压转换芯片。LM78M05 是一款输入5～15V、输出电压5V、电流大于0.5A 的芯片，内部采用三端阳极稳压器，使芯片具有限流、热关断、安全保护的功能，可以不受输出超载的损害。LM1117-3.3是一款输入直流电压5～15V，输出电压3.3V、电流大于0.5A 的电压转换芯片，在此用于将5V 电压转换为3.3V 电压供给微处理器。

图2 电源转换电路

3.2 传感器模块

本设计主要用到的传感器包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、流量传感器等。

其中，土壤温湿度传感器选用TDR- 6，其测量土壤湿度的原理是利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器，来测定田间土壤的介电常数，用来反映土壤的水分含量[5]。输出的是电压信号，通过相应的数据转换公式进行转换，可得到土壤含水率。土壤湿度传感器可与数据传输模块连接，将数据传送给MCU，以供后续使用。其具有测量精度高，响应速度快、耐腐蚀、价格便宜等优点，符合我国国情，便于推广使用。

3.3 传感器数据采集模块

上述土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器均采用RS485 通信方式。RS485 总线传输数据方便，可以实现一对多的连接。以UART2 RS485 为例，通信接口电路如图3 所示。又因为系统工作在户外，容易受雷电天气的影响，因此加入放电管、保险丝等对电路进行保护。

图3 RS485 数据采集电路

3.4 LoRa无线通信模块

低功耗广域网（LPWAN）是近年来问世的一种物联网网络层技术, 具有通信距离远、稳定性高和功耗低等特点，LoRa 正是其中一项关键技术[6]。LoRa可以自主在免费频段搭建网络, 具有功耗低、抗干扰性能强、传输距离远、准确度高等优点。此处采用的LoRa 模块是S32-TTL-100，连线情况如图4 所示。它是一款433MHz、100mW，具有高稳定性的工业级无线数据传输模块，采用射频芯片SX1278 设计开发，通过LoRa 扩频调制和TTL 电平输出，大大提高模块的抗干扰能力，获得很高的稳定性。模块有四种工作状态，可在运行时自由切换。在省电工作状态下，消耗电流极低，非常适合超低功耗应用。

图4 S32-TTL-100 接线图

4 系统软件设计

4.1 RS485信息采集软件设计

此处使用RS485 总线通信的传感器有土壤湿度传感器、空气温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器，此类传感器都遵循ModBus 协议[7]。传感器与灌溉控制终端间的数据按帧来传送，有命令帧，应答帧和数据帧3 种帧结构。

以土壤温湿度传感器为例，灌溉控制终端向传感器发送命令帧，通过命令字来区分温度、湿度。首先主机向传感器发送命令帧，若应答帧正确，进行数据校验，若正确则对数据帧进行解析，得到数据内容。土壤墒情传感器软件设计流程如图5 所示。

图5 RS485 数据采集流程图

4.2 流量传感器软件设计

流量传感器属于脉冲/中断接口传感器，此类传感器输出信号为脉冲信号，信号通过光电耦合器接入RTU 中，MCU 通过监测脉冲的下降沿信号产生中断，然后在中断服务程序中计数。本设计中流量传感器采用0.1m3分辨率的传感器。

流量传感器软件设计流程如图6 所示。首先进行初始化，初始化完成后配置参数，包括传感器地址和存储地址等。然后等待中断的产生，当有水流过传感器时，传感器磁盘指针开始计数，当流经水量到达0.1m3时传感器引出线导通产生下降沿中断，MCU在中断服务函数中对流量计数单元进行计数，同时将计数值存入EEPROM 中保存，最后将数据发送至中心站对用户余额进行相应的扣除。

图6 流量采集流程图

4.3 继电器

继电器控制软件流程是首先对控制方式进行判断。在自动灌溉模式下，等待智能灌溉模块的决策。智能灌溉模块发出控制命令后，继电器执行相应的操作。手动模式时，用户需要按下控制器面板上的按钮，或者通过客户端进行手动操作，然后继电器执行相应的灌溉操作，最后记录并保存用户的操作情况以及继电器的工作状态，上传至中心站[8]。此外，继电器还用来控制电机、开关等设备。

5 安装与调试

首先对电路板进行测试，检查各元器件的摆放是否正确，如二极管、电解电容极性是否放反，检查电路有无虚焊、漏焊等情况。确认无误后进行供电，观察是否有异味、是否发热异常等。在排除异常情况的存在后，进行静态测试，如各个模块的接电电压是否正常，确认电压正常后加输入输出信号进行动态测试。

将如图7 所示的手持设备与智能控制终端连接，首先对RS485 通信进行调试，查看是否能读取到相关的土壤温湿度、空气温湿度等数据，若无接收数据，则先后对相应传感器硬件、软件进行排查。通过测试，手持设备能正常读取各传感器数据。最后用手持设备对控制终端编号、种植作物类型、种植时间等进行设定。

图7 手持设备实物图

控制模块的测试主要分为手动人工控制和远程控制。首先进行人工控制测试，在控制终端面板上，将控制方式开关打到现地模式，然后分别对阀1 和阀2 进行测试。将开关打到开，看电磁阀是否运作，有无出水，开关状态与出水状态是否一致，若相反，对相应接线进行调整。然后在服务器端进行手动召测调试，远程控制电磁阀开关。通过测试，人工控制和远程控制均正常，可以完成控制任务。

在杨凌职业农民创新创业园对智能农业系统进行安装，实地安装的现场情况及服务器操作界面如图8 所示。