中药材光环境的自动控制系统设计

梁凯　韩睿泽　宋蕾

关键词：药材；光照；自动控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A

0 引言

我国已将中医药发展上升为国家战略，并对推进中医药事业发展做出了系统部署。国家加大了对中医药科研和创新的支持力度，通过加强科研机构建设、推动中医药现代化技术研发和中药《药品生产质量管理规范》（Good Manufacturing Practice ofMedical Products，GMP）认证等方式，提高中医药的质量，促进中医药产业的健康发展。此外，我国还加强了中医药国际交流与合作，提升中医药在国际组织中的地位，推动中医药的国际化发展。

在不同的光照条件下，中药材的生长发育表现出不同的特性。例如，根据植物对光照强度的需求，可以将植物分为阳生植物（如北沙参、山药、颠茄子等，主要生长在直晒阳光充足的地方）、阴生植物（如人参、西洋参等，不能忍受强烈日光照射，喜欢在阴湿的地方生长）和中间型植物（如天门冬、麦门冬等，处于喜阳和耐阴之间）。光照对药用成分的积累也有直接影响，如在不同光照强度或光照时间下处理金线莲，可以观察到其药用成分含量均会发生变化[1-2]。

综上，不同的中药材对光照的需求有所不同，因此需要设计一种在种植过程中可以根据不同中药材的特性自动进行光照调整的系统，即光环境自动控制系统（简称“自动控制系统”），从而提高中药材的产量和品质。

1 系统设计

1.1 应用场景

自动控制系统主要应用于中药材种植环境监控、中药材生产管理、中药材智能种植等领域。

1.2 功能要求

为了满足中医药科研和创新的应用要求以及实现光质、光照强度、光照时间等因素的自动调控，自动控制系统应满足以下要求。

（1）精确转换光能。自动控制系统的根本作用是对药材所需不同光环境进行精准转换，促进药材的培育。

（2）利用太阳能电池供能。为了响应节能降耗的国家政策，自动控制系统搭载太阳能电池。基于光电效应，将太阳能直接转换成电能。

（3）具备远程操控系统。通过输入指令，自动控制系统实现自动调节光颜色、光照强度以及定时控制光照时间。该远程操控系统不会受到传统种植方式自动化程度不高的约束，而且该远程操控系统操作简单，不受到年龄、受教育程度等方面的限制。远程操控系统通过科技创新，使得种植变得简单、省时省力。

1.3 软件设计

单片机编程是一种通过编程语言（如C 语言、汇编语言等）来控制单片机行为的技术。自动控制系统使用了无线传感器网络技术，将RISC 微处理器（advanced RISC machines，ARM）技术和传感器技术相结合[3]。软件设计包括主程序、实时时钟及中断子程序（“看门狗定时器”，简称Watchdog）。脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）输出控制中断子程序、控制参数输入子程序、码制转换子程序、显示子程序、延时子程序，以及温度采样和控制参数队列初始指针定位子程序等[4]。此外，STM32 的编程还需要使用一些特定的工具，如STM32CubeMX 和Keil 等。STM32CubeMX 是意法半导体公司提供的图形化配置工具，可以帮助用户生成初始化代码，简化工程的初始化过程；Keil 则是一个常用的单片机编程环境，提供了代码编辑、编译、调试等功能。

1.4 硬件设计

自动控制系统相关的硬件如图1 ～图3 所示。

自动控制系统基于输入的控制参数对光质、光照强度、光照时间等因素进行改变和控制，并且可以设置n 个梯度。根据实时时钟的值改变当前温度，从而实现梯度的自动改变。采用实时时钟可以模拟一天的温度和光照。在自动控制系统中，如果干扰破坏指令计算器的内容，便会出现“飞程序”，致使系统失控。该系统采用WatchDog 对“飞程序”进行检测和自动恢复。

2 功能实现

自动控制系统的硬件架构如图4 所示。该自动控制系统主要包括核心控制单元（STM32F103C8T6单片机）、光质智能变换模块、光环境监测与自动调控模块、定时模块、显示模块（LCD1602液晶显示器）、PWM 芯片、太阳能板、光敏电阻电路板以及电源等模块。自动控制系统的主要功能为：通过对太阳能的吸收，系统在任何环境下的能源均能保持充足；光环境监测与自动调控模块检测外部光环境的光照强度变化[4]，根据接收到的光变化指令，改变不同中药材所需的光照强度；光质智能变换模块和定时模块通过解析中药材所需的光照颜色及时间的指令来改变药材所需的光环境。

在自动控制系统启动后，首先，太阳能充电板吸收太阳能对电池进行充电；其次，初始化自动控制系统的各个模块；最后，根据在LCD1602 液晶显示器中显示的光环境变化来转换系统中不同中药材所需的光环境[5]。如果监测到药材周围环境光照颜色出现变化，STM32F103C8T6 单片机可以对光质智能变换模块发送指令，该模块解析指令后并自动转换为当前时间段适宜药材生长的光照颜色，同时通过PWM 技术减少色差，提高光照颜色准确性。如果监测到药材周围环境光照强度出现变化，STM32F103C8T6 单片机对光环境监测与自动调控模块发送指令，该模块解析指令后并自动转换为当前时间段适宜药材生长的光照强度。光环境监测与自动调控模块使用以光敏电阻为主的电路元件所集成的电路板，从而实现对光照强度信息的收集和显示，以及对光照强度的智能调控。当外界光照强度低于所需的光照强度時，使用外加电源的方法通过增大功率来提升发光二极管（light emiting diode，LED）灯的光照强度。而药材所需要的光质、光照强度、光照时间，可通过定时模块，精准控制LED灯的定时开启和待机时间。自动控制系统的工作流程如图5 所示。

3 应用分析

3.1 系统研究结果

自动控制系统基于STM32 单片机和各个模块的互相配合，对光照进行自动调控并且在显示屏上显示相应数据。太阳能电池可以持续为自动控制系统供电，保证系统的可持续性，同时也可以达到节能效果。光质智能变换模块和光环境监测与自动调控模块的精确性对光照调控效果产生的影响较大。在不同的光环境下，中药材产量也会发生不同程度的变化。本文模拟了不同的天气情况并对系统进行测试，结果显示自动控制系统在不同天气情况下均可以自动调节光照。经过对比可以发现，该系统可以提高中药材的生产效率、降低生产成本。

3.2 系统优点

自动控制系统主要适用人群是文化程度不高的中药材种植者。通过简化该系统的操作系统，方便用户的安装和操作，同时也可以对数据进行实时监测。该系统只需要用户输入中药材的名称，便可以实现光照的自动转化，最大限度地排除光照对药材产量、药用价值和品质等方面的影响。自动控制系统对光照的自动调控不受恶劣环境影响，从而使中药材在最适宜的光照环境下生长。为了能够精准调控，本系统采用了PWM 技术（图6），提高了中药材的品质及药性。在节能方面，该系统使用太阳能电池，其可以支撑系统的全天用电量。

3.3 未来发展

随着科技的发展以及工业逐步进入自动化，自动控制系统将会变得更智能化，对其的需求量也将增大。随着物联网技术的发展，未来该系统可能会实现与互联网的深度融合，进一步提高生产效率，减少人力成本，实现中医药的可持续发展。

4 结语

综上所述，自动控制系统在中药材种植领域具有重要的作用。本文通过 STM32F1 系列开发板、PWM 技术以及其他智能控制模块，设计了中药材光环境的自动控制系统。结果表明，在模块设计方面，光照的自动调控精确性对中药材的产量和品质等有不同程度的影响。如果遇到自然灾害等特殊情况，用户可通过手动按键对系统进行人工操控，同时在显示屏上看到相应的实时数据。研究发现，自动控制系统在国内外具有较大的发展空间，未来可以对智能控制模块进行更深层次的研究，以进一步优化系统，使其在环境异常情况下依然可以自动调控，从而进一步提高中药材的生产效率以及产量和品质。