基于STM32集智能溫室和殺蟲為一體的控制系統的設計

衢州學院電氣與信息工程學院 黃萌

隨著社會經濟的不斷發展，人們對于蔬菜、花卉等的需求越來越大，并且要求越來越高，這就要求有一種場所，它不僅可以改變植物生長環境，而且還能為植物的生長創造最佳的條件，避免外界的四季變化和惡劣氣候對蔬菜、花卉等的影響，這就是溫室。溫室生產的目的是調節生產周期，促進植物的生長發育，防治病蟲害以及提高產量、質量等。但溫室是一個多變量、多耦合、非線性、大滯后的復雜動態系統，因此需要建立一個有預見性、及時的控制系統來調節溫室環境，以提供最為合適的農作物生長環境。溫室的控制系統不僅要及時調節溫室環境下的溫濕度、光照、CO2等環境因子，還要注意防治封閉環境下溫室的病蟲害。由于很多管理者不重視“預防為主，綜合防治”的植保方針，只迷信農藥，導致室外傾入的白粉虱、蚜蟲、美洲斑潛蠅等害蟲在溫室中的侵害日趨嚴重，影響到農作物的健康成長，也不符合有機農產品的發展方向。

目前國內一般的農業承包者都是自己搭建比較簡單的大棚，構造簡單，幾乎沒有實現智能化，不具備及時并良好地調整棚內外環境的功能，離真正意義上的智能化有著很大的距離。而市場上提供的控制器功能單一，諸如：控溫器、控濕器等等，也有提供溫室智能控制系統[2-6]，但都是面對大型企業的，產品價格昂貴，對于大多數農民而言是負擔不起的。設計一款多功能簡易的溫室控制系統就顯得尤為重要，它不僅可以提高農作物的質量、產量和效益，而且還能深化溫室大棚的智能化控制技術以及推廣溫室大棚智能化的應用。

本文設計了一種基于STM 32多功能的智能溫室控制系統，以溫度、濕度、光照、CO2作為環境因子，通過各類傳感器對環境因子的監測，根據農作物不同以及對應的常見害蟲的活動特性（活動時間及趨光波長）可設置環境參數值，通過實時監測環境信息和其變化規律，及時控制溫室內的供水系統、濕度系統、溫度系統、CO2產生器和多頻譜殺蟲燈，從而實現集殺蟲和智能溫室為一體的控制系統。

1 系統總體設計

本控制系統利用溫室殺蟲燈的分布放置，設計一個殺蟲燈和單體溫室控制分站為一體的控制系統，既可以實時監測和調控溫室內不同位置的空氣溫度、空氣濕度和光照強度等環境因子以及控制殺蟲燈燈組頻譜和高壓電網的開關，還能通過CAN to USB模塊將各個單體溫室集中鏈接，實現上位機連棟管理。

對于溫室環境的調節，根據各種傳感器測到的環境參數與專家數據庫中的參數進行對比，看是否符合參數的上下限值范圍內，對于超限的參數做出相應的決策，控制相應的設備以及相關設備的動作，同時產生報警提示。系統中的微控制器則根據用戶設置，通過決策產生相應的控制邏輯，關聯相關設備。相關的設備主要有加溫設備、降溫設備、加濕設備、除濕設備、遮陽設備、CO2產生器。

對于殺蟲燈的調節，根據各種傳感器測到的環境參數與數據庫中的參數進行對比，區分白晝、天氣和季節的不同，從而控制殺蟲燈組和高壓電網的開關。同時根據溫室環境下所種植的農作物不同，對應害蟲的視敏曲線也不同，人工可以設置由多種波長LED燈所組成的燈組的頻閃波長和頻率，從而提高害蟲的捕殺率。

2 硬件設計

本系統采用基于ARM Coretex-M 3內核的STM 32系列單片機。它有高速的數據處理能力且芯片內部集成豐富的外設接口資源，利于外部功能的擴展。系統硬件設計框圖如圖1所示，包括傳感器電路、LED殺蟲燈組和高壓電網電路、微控制器、I/O輸出模塊、電源模塊、人機交互模塊、報警電路、CAN總線接口設計和USB接口設計。

2.1 傳感器的選擇

本系統需實時采集溫室的環境參數，需選用合適的傳感器。溫度傳感器采用DS18B20，其具有體積小、適用電壓寬、性價比高、一線總線的特點。濕度傳感器采用HIH-4000，由于傳感器需長期暴露在外，該型號的多層結構可防止潮濕、灰塵、污垢、油類和常見化學品的侵蝕。光照傳感器采用ROHM公司的BH1750FVI，其有著較寬的照度范圍，能檢測出暗處到室外的光照變化。CO2傳感器采用COZIR，其具有超低功耗、高性能、可選量程的特點，適用于農業大棚。

2.2 LED殺蟲燈組及高壓電網

圖1 系統硬件設計框圖

溫室環境下種植的農作物除了需要合適的生長環境，還要減少害蟲的侵害。殺蟲燈模塊屬于本系統的重要組成部分。為了提高殺蟲燈的適用范圍，殺蟲燈的光源可采用寬光譜的LED光源陣列，由黃、綠、藍、白色4種不同顏色LED所組成的陣列，每種顏色1行，每行5個為一組，4種顏色的LED通過并聯組成4組陣列。在光源外設有高壓電網，可在害蟲受光源引誘飛來時將其捕殺[2]。LED光源陣列和高壓電網的開關可根據光照強度或是時鐘電路來設定，當光強降低到一定程度則開啟LED燈組和高壓電網的開關，啟動殺蟲模式。光源陣列光譜的選擇則可通過STM 32人為設定。同時殺蟲燈光譜及開關時間信息可通過數據存儲模塊和總線上傳至上位機，提供數據給管理者參考。

2.3 微控制器STM32

微控制器是本控制系統的核心，是實現本控制系統智能化、多功能化的關鍵。管理者可以通過STM 32外接的人機互動設備鍵盤電路，實時設定農作物適應的生長環境參數：溫度、濕度、光照和CO2濃度以及白晝、晴雨天氣下溫濕度、光照的數值范圍和殺蟲燈燈組頻閃波長和頻率。而傳感器電路中各類傳感器采集到的環境參數也會反饋給STM 32，將其進行對比，如若數值不一致時，處理機會自動控制執行機構做出相應的動作：溫度或CO2濃度變化可通過周壁風機的開關及所開的數量或是CO2產生器來調節；濕度變化可由加濕器及頂部風機的開關來調節；亮度變化可由LED燈組中的白光來控制，當出現突發狀況時，可開啟手動模式，直接操作鍵盤電路控制機構動作。STM 32處理機通過RS232串口將采集的環境參數傳送給PC機，通過軟件將采集的數據以界面的形式顯示出來。同時也可以利用PC機進行溫室參數的實時設置，并將此信息傳遞給STM32處理機從而控制執行機構以達到目標要求，利用此原理來實現遠程的控制。

2.4 輔助模塊

本系統的輔助模塊也是必不可少的部分：主要包括：I/O輸出模塊、電源模塊、人機交互模塊、報警電路。I/O輸出模塊包括鍵盤輸入電路和液晶顯示電路，實現人機交互，管理者可將各類設定值通過該模塊輸入至微控制器。電源模塊主要由2部分組成，一是為傳感器電路、CAN總線、輔助模塊供電；二是為單片機、LED光源陣列、高壓電網供電。報警電路由蜂鳴器完成，當某一環境參數超出預設范圍或是設備出現故障時，判斷系統會開啟報警功能提醒管理者注意。

2.5 通信接口

本系統采用了CAN to USB模塊，通過CAN總線將各個單體溫室連棟管理，同時使用USB通信實現了與上位機（PC機）的鏈接，提供了單體溫室控制器與上位機之間數據/指令的傳輸平臺。

2.6 執行機構

本系統的執行機構是指對風機、天窗/側窗、加濕/除濕、遮陽網、CO2產生器、LED陣列光源中的白光的電機運行和停止的控制。通過輸入信號的變化使繼電器起合，從而對控制電路進行接通或者斷開，實現電器的自動控制和電力裝置的保護。

3 軟件設計

在一個系統中，其設計必然包括硬件和軟件設計，軟件設計可以使硬件發揮出相應的功能。本控制系統的軟件設計包括單體溫室控制系統的軟件設計、殺蟲燈控制系統的軟件設計、CAN to USB模塊的軟件設計和上位機（PC機）管理軟件的設計。單體溫室控制系統和殺蟲燈控制系統的軟件是處于溫室內以STM 32F107單片機為核心的智能控制器程序，主要實現現場溫室實時監控功能和殺蟲燈LED燈組、高壓電網的控制。CAN to USB模塊的軟件主要是CAN總線通信協議及USB總線協議，實現單體溫室與CAN to USB模塊的通信以及CAN toUSB與上位機平臺的通信。上位機管理軟件的設計主要是對溫室控制系統進行連棟管理，重點在對單體溫室的協調管理。單體溫室和殺蟲燈控制系統的軟件設計是系統最主要的部分，大部分的功能都是通過此來實現。

3.1 主程序

其主程序的流程圖見圖2：按下啟動按鈕后，系統進行掃描故障，根據用戶設置選擇遠程自動模式或是現場手動模式，讀取傳感器電路采集到的數據，通過比較結果進行判斷并執行相應的動作。

圖2 主程序流程圖

圖3 子程序流程圖

3.2 溫濕度、光照、CO2子程序

當遠程自動控制時，單片機每10m in讀取各類傳感器的實測值并與設定值進行比較。如果實測值溫度T小于設定溫度的最小值Tmin則關閉風機和遮陽網，如果實測值溫度T大于設定溫度的最大值Tmax則開啟風機和遮陽網。如果濕度實測值H小于設定濕度的最小值Hmin則打開加濕設備，關閉除濕設備，如果濕度實測值H大于設定濕度的最大值Hmax則打開除濕設備，關閉加濕設備。如果實測值的光照L小于設定白天光照的最小值L1，則開啟殺蟲模式，相反如果實測值光照L大于設定黑夜光照的最大值L2，則關閉殺蟲模式。如果CO2濃度實測值C大于設定的最大值Cmax，則開啟風機并關閉CO2產生器，如果實測值C小于設定的最小值Cmin，則關閉風機開啟CO2產生器。溫濕度、光照、CO2子程序流程圖如圖3所示。

4 結論

本文設計的控制系統，將智能殺蟲與智能溫室合為一體，針對分布式溫室設計，采用CAN to USB模塊實現了單體溫室與上位機的連棟管理。該系統結構簡單，功耗低、成本低，實用性強，功能多樣化，符合現代農業智能溫室的發展方向，為農作物提供了更為合適的生長環境，從而提高了農作物的產量和質量。同時人機交互智能化的控制也減輕了農民的勞動強度，提高了管理效率。

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