基于STM32的植物补光调控系统设计

易 艺，窦文淼，莫燕兰，袁颂岳

(1.桂林电子科技大学 信息科技学院，广西 桂林 541004；2.桂林亦元生现代生物技术有限公司，广西 桂林 541004)

0 引言

组织培养是对传统植物繁殖方法的突破，它能使有性繁殖成活率低和不能有性繁殖的植物繁育出新的植株，且不受季节、气候、自然灾害等因素影响[1]。组织培养的繁殖周期短，扩繁速度快，短时间内可繁殖出大量植株。通过组织培养不但能节省常规无性繁殖所需要的大量母本植物，保持母本优良性状一致，还可以防止植物种性退化。目前，组织培养在快速繁殖、育种、保存濒危植物种质资源等工作中得到广泛的应用。

在植物组织培养过程中，光不仅是植物光合作用的能量来源，而且对植物生长发育、形态建成和生理代谢等各个方面均有调节和控制作用[2]。传统组培室对不同植物组培苗以及植物组培苗不同生长阶段进行补光大都采用统一的植物补光方式，不能根据植物生长需求对光进行合适的调节，因而影响植物组培苗的培育质量。荧光灯、高压钠灯等传统植物补光光源都含有植物生长不需要的光谱，只有部分波段的光可以被植物吸收利用，存在光能量浪费，耗能较高，在组培室中使用传统植物补光光源，不易获得高性价比的植物组培苗。相对于传统植物补光光源，LED光源具有发光效率高、体积小、功耗低、寿命长和便于控制等优点[3]。近年来，利用LED光源对植物生长进行补光的研究受到广泛关注，并成为许多科研人员研究的课题[4-6]。

在植物组织培养过程中，为了更好地实现对组培室内的植物进行补光，降低育苗成本，本文以微控制器STM32F103VET6为主控芯片，设计了一种组培室植物生长LED补光调控系统。该系统可以根据需要按时、按量对植物组培苗进行补光，为在组培室内采用LED光源对植物进行补光提供一种参考。

1 系统组成与原理

组培室植物生长补光调控系统由上位机、补光总控中心和补光调控节点组成，其系统组成如图1所示。

图1 系统组成框图

上位机和补光总控中心安放在组培室管理中心，上位机为手机或笔记本电脑，手机通过GPRS与补光总控中心进行信号的传输，笔记本电脑通过USB与补光总控中心进行信号的传输。补光调控节点安装在组培室内的植物组培架上，方便对组培植物进行补光。补光总控中心通过RS485通信模块与安装在组培室内的多个补光调控节点进行信号的传输。系统的工作原理为：1)上位机向补光总控中心发送任务指令和补光参数。植物组培技术员根据组培植物的需求通过上位机输入任务指令和植物补光参数，然后发送给补光总控中心进行存储；2)补光总控中心将上位机发送来的任务指令和植物补光时间、光照度等补光参数进行处理，然后通过RS485通信模块传输到组培室内的各个补光调控节点进行存储；3)组培室内的补光调控节点对接收到的任务指令和植物补光参数进行处理，然后控制D/A模块和LED光源驱动模块对LED光源进行调光，同时通过光照度传感器模块检测LED光源的光照度是否满足预设植物补光光照的要求，如果没有达到预设光照参数要求，则进行适当的调整，直至达到预设的光照参数要求，实现对植物补光参数的闭环控制。植物组培技术员可以根据需要通过上位机输入调光控制指令和参数，传输给补光总控中心，补光总控中心进行处理后，对组培室内的补光调控节点进行控制与管理。补光调控节点按照接收到的控制指令和参数进行光环境参数的调控，并将调控结果返回给上位机，给植物组培技术员参考。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计主要包括补光总控中心和补光调控节点的电路设计。

2.1 补光总控中心的硬件设计

补光总控中心作为上位机与补光调控节点的中间桥梁，用于接收上位机的任务指令和植物补光参数并进行处理，然后控制和管理组培室内的全部补光调控节点进行工作。它主要由微控制器和与之相连接的GPRS模块、USB转串口模块、时钟模块、RS485通信模块和存储器模块组成。其硬件电路设计如图2所示。

图2 补光总控中心硬件电路设计框图

补光总控中心选用性价比高、功耗低的STM32F103VET6芯片作为微控制器，其片内集成有SPI通信接口、I2C通信接口、USART通信接口和多组I/O接口等丰富的片上资源[7]，易于实现对组培室内主控节点和补光调控节点的控制和管理。

GPRS模块选用TTL串口转GPRS模块USR-GPRS232-7S3来实现[8-9]。该模块是济南有人物联网技术有限公司推出的GPRS模块，它可以与微控制器的串口相连接，实现TTL串口转GPRS双向数据透明传输功能。

RS485通信模块选用自动控制流向的MAX485芯片来设计实现。该通信模块为TTL串口转RS485模块，通过串口与微控制器进行通信。

时钟模块选用内部自带温补晶振电路的DS3231高精度时钟模块来实现。该模块通过I2C通信协议与微控制器进行通信[10]。

植物组培技术员既可以根据需要通过上位机实现对组培室内的LED光源进行开启与关闭，又可以通过上位机进行查看或修改LED光源的光照时间、光照强度等参数。系统参数设置完成后，补光总控中心可以脱离上位机，控制和管理组培室内的补光调控节点进行工作。

2.2 补光调控节点的硬件设计

补光调控节点接收补光总控中心的任务指令，并根据任务指令和植物补光参数对组培室内组培架上的LED光源进行调控。补光调控节点主要由微控制器、RS485通信模块、光照度传感器模块、D/A模块、电压检测电路、LED光源驱动模块和LED光源组成。其硬件电路设计如图3所示。

图3 补光调控节点硬件电路设计框图

LED光源驱动模块由继电器电路和开关电源电路组成，开关电源电路选用JM-360W-60可调开关电源来实现，该电源的AC输入电压为220 V，DC输出电压调整范围为0～60 V，最大输出电流6 A，通过输入信号电压0～5 V来调节输出电压，将其电压调节控制端连接至D/A电路的输出端，实现对开关电源输出电压的调节。继电器电路的控制端与微控制器的I/O口相连，用来切换选择给不同光谱的LED光源供电。

D/A模块主要用来给可调开关电源提供输入控制电压。由于可调开关电源的最大输入控制电压5 V，因此选用TI公司的电压输出型DAC 芯片TLV5616来设计实现。TLV5616通过SPI接口与微控制器的I/O口相连接。由MC1403电压基准芯片为其提供基准电压[11]，D/A模块电路连接如图4所示。

图4 D/A电路框图

光照度传感器模块选用BH1750FVI芯片作为光照检测传感器，用于检测LED光源的光照强度，微控制器将检测得到的LED光源的光照强度与预设值进行比较，如果没有达到预设值的要求，微控制器将控制D/A模块和LED光源驱动模块对LED光源的光照度进行适当的调整，直至达到光照强度预设值的要求，以形成闭环控制[12]，实现光照强度的调整。该模块通过I2C通信协议与微控制器进行通信，可以测量0～65 535 Lx的光照强度。

补光调控节点选用性价比高、功耗低的STM32F103C8T6作为微控制器，其片内集成有64 KB的Flash、20 KB的SRAM、I2C通信接口、2个12位的A/D转换器、USART通信接口和多组I/O接口等丰富的片上资源，易于实现对补光调控节点中各个电路模块的控制和管理，协调补光调控节点中各个电路模块进行工作。STM32F103C8T6微控制器通过RS485通信模块接收补光总控中心发送的植物补光时间、光照强度等补光参数，然后根据补光参数和指令对组培架上的LED光源进行控制，根据植物补光需要实现对LED光源光照强度的调节。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括补光总控中心软件设计和补光调控节点软件设计。补光总控中心软件设计和补光调控节点软件设计都采用程序模块化的设计方法，首先将系统软件设计分为多个子程序模块的设计，然后画出软件流程图，最后在Keil uVision5集成开发环境下，用C语言来编程实现补光总控中心和补光调控节点的各个软件模块的程序设计。

3.1 补光总控中心软件设计

补光总控中心的软件设计主要包括时钟模块的驱动程序设计、USART驱动程序设计和存储器模块的驱动程序设计，其主程序流程如图5所示。补光总控中心的软件工作流程为：补光总控中心开始工作后，STM32F103VET6微控制器先对其内部资源以及与之相连接的GPRS模块、USB转串口模块、时钟模块、RS485通信模块和存储器模块进行初始化；接着判断是否收到上位机指令和植物补光参数，如果接收到上位机指令和植物补光参数，则进行指令和植物补光参数的处理与存储；如果没有接收到上位机指令和植物补光参数，接下来将判断是否接收到补光调控节点的数据，如果接收到补光调控节点的数据，则进行数据的处理，并发送给上位机；如果没有接收到补光调控节点的数据，接下来微控制器将通过I2C通信协议读取时钟模块的实时时钟，并进行时钟和补光参数的数据处理，然后根据存储的植物补光参数(如：光照强度和补光时间)向补光调控节点发送控制指令和补光调控参数。

图5 补光总控中心主程序流程图

3.2 补光调控节点软件设计

补光调控节点软件设计主要包括BH1750FVI的驱动程序设计、USART驱动程序设计、A/D驱动程序设计和TLV5616的驱动程序设计，其主程序流程如图6所示。补光调控节点的软件工作流程为：补光调控节点开始工作后，STM32F103C8T6微控制器先对其内部资源以及与之相连接的RS485通信模块、光照度传感器模块和D/A模块进行初始化；接着判断是否收到补光总控中心指令和植物补光参数，如果接收到补光总控中心指令和植物补光参数，则进行指令和植物补光参数的处理；如果没有接收到补光总控中心指令和植物补光参数，接下来微控制器将控制光照度传感器模块工作，获取组培室内的LED光源的光照强度，并判断LED光源的光照强度是否在设置范围内，如果LED光源的光照强度不在设置范围内，则微控制器将控制D/A模块和LED光源驱动模块对LED光源的光照强度进行适当的调整，直至达到LED光源光照强度预设范围的要求，然后根据预设的光照时间参数调用光照时间控制函数对植物按时进行补光。

图6 补光调控节点主程序流程图

4 系统功能实验

为了验证植物补光调控系统的功能，选择红光和蓝光LED作为LED光源，将设计制作完成的LED补光调控电路按照图7建立实验测试电路，然后采用优利德数字式照度计UT382对补光调控电路的光照度参数调节情况进行实验测试，得到其部分参数测量结果如表1所示。

图7 补光调控电路的实验测试图

表1 LED光源光照度测量结果表

测试结果表明，补光调控电路对LED光源的光照度参数调节范围宽、调节精度较高、误差较小，能够满足组培室植物补光的需求。

5 结束语

本文以STM32微控制器作为控制核心，结合电子技术、传感器技术和测控技术，设计了一种组培室植物补光调控系统。阐述了系统的组成原理和软硬件设计方法，并对植物补光调控系统进行实验验证。测试结果表明，系统达到了预期的设计要求，可以在常规组培室根据需要对植物组培苗按时、按量进行补光，相对于传统组培室植物补光方式而言，达到节约能源的目的，减少育苗成本，为在组培室内采用LED光源对植物进行补光提供一种参考。

但该植物补光调控系统也存在不足的地方，比如：植物补光存在LED光源光照分布不均匀、不能对光质进行科学的调控等问题，在今后的研究中，需要对植物补光调控系统进一步改进，以完善植物补光调控系统的功能，并建立丰富的数据库，实现在上位机选择植物类型，就可以自适应地完成对植物补光光环境的调控。