植物生長柜控制系統的研究與設計

田彥彥

(鄭州工業應用技術學院機電工程學院，河南 鄭州 451100)

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植物生長柜控制系統的研究與設計

田彥彥

(鄭州工業應用技術學院機電工程學院，河南 鄭州 451100)

摘要：設計了一種基于LED光源的植物生長模擬環境系統.該植物生長柜控制系統主要由觸摸界面操作系統和控制系統兩大部分組成，兩者之間通過RS485模塊進行通訊.控制系統以ATmega128L單片機為主控核心，界面操作系統采用Cortex_M3為內核的32位處理器STM32F103VC，并配置7寸TFT觸摸屏，利用μC/GUI編寫簡單的人機界面，實時監控植物生長柜內的環境參數，并且通過設定各種參數以模擬出植物的多種生態環境，有利于個性化地培養各種植物.

關鍵詞：植物生長柜；ATmega128L；傳感器；LED光源

進入21世紀，隨著社會經濟的發展和生活質量的提高，人們開始有了對安全無公害蔬菜的需求和現代農業體驗的向往，“家庭植物工廠”概念應運而生[1].本文依據目前植物工廠的發展趨勢，設計了一種適合在家庭領域應用的小型植物工廠——植物生長柜.植物生長柜可以對植物生長所需的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環境條件進行設定、調節和自動控制.該生長箱設置有植物培養系統、傳感器數據采集系統、環境調節系統和控制系統等，能夠模擬出適合植物生長的生態環境，從而創造出家庭植物工廠.該植物生長柜既可以滿足高性價比的需要，又可以滿足日常生活的需要，進而提高了人們的生活水平.

1植物生長柜的組成及設計方案

1.1植物生長柜的組成

圖1　系統結構框圖

針對植物柜生長系統要實現的功能，分模塊設計系統軟硬件.控制系統運用RS485[2]通訊技術使AVR單片機和Cortex_M3為內核的32位處理器STM32F103VC處理器進行通訊，AVR單片機對植物生長所需的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環境條件進行自動控制，使設施內的植物生長不受自然條件的制約.STM32F103VC處理器作為上位機調節和設定光照、溫度、濕度、CO2濃度等環境參數，該系統結構框圖如圖1所示.

1.2植物生長柜設計原理

植物生長柜主要由觸摸彩屏和32位處理器STM32F103VC組成的上位機和由單片機、溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、LED和水泵等組成的下位機兩部分組成，兩者之間通過MAX485模塊進行通訊，從而實現植物生長柜為植物生長提供所需的最佳溫度、濕度、光照度和二氧化碳含量等必需生長條件.

2系統硬件設計

2.1電源模塊

本系統的電源共有AC220V、DC24V、DC6V和DC5V四種，輸入為AC220V.首先通過開關電源轉換為DC24V給水泵和LED供電，再經過開關電源芯片LM2576轉換為DC5V供給單片機和其他附件.LM2576可以提供3A的輸出電流，具體電源電路如圖2所示.

圖2　LM+2576系列開關穩壓電路

2.2LED光源模塊

LED光源模塊采用中國科學院半導體研究所設計的LED光源板[2].該LED光源板由多個強光型的紅光和藍光LED組成，且以混合方式配置，所產生的紅光波長范圍為600～700nm，藍光波長范圍為400～500nm，滿足植物光合作用所需的光照條件.此外，該光源板可以通過串口對紅、藍光的光強進行控制，以便滿足不同植物對光照的需求.

對于責任的兩種不同含義的解讀，尤其是對實質責任的強調，表明約納斯實際上擴展了一般意義上的責任觀。在比較了形式責任與實質責任之后，約納斯指出，技術時代的道德事實，需要的正是這種實質責任和責任感，而非每一行動者對其行為負責的空洞的形式責任。[34]在這個意義上，約納斯區分的實質責任正是“未來責任”。

2.3界面操作系統

界面操作系統采用以ARM Cortex-M3為內核的32位處理器STM32F103VC.該處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，具有高性能、低功耗、成本低等優勢.它的工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節SRAM)；具有豐富的增強I/O接口和聯接到兩條APB總線的外設；包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN[3].

2.4傳感器模塊

為了給出不同時期植物生長所需的最佳環境參數，并生成合理的控制方案，該系統配置有溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器等，可以對溫度、濕度、CO2濃度進行采集，以便與植物生長所需要的最佳氣候條件進行比較分析，并為控制提供依據.根據作物生長柜中植物生長需要采用SHT75溫濕度傳感器.這是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，它將溫度感測、濕度感測、信號轉換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，輸出直接為數字信號[4].

2.5執行系統模塊

執行系統包括通風機、加熱器、制冷器、水泵等設備, 它是自動控制系統的執行者，用來實現對各環境參數的調節.單片機發出的控制信號與輸出電路的直流繼電器相連，繼而控制各種外部設備.

3系統軟件設計

本系統軟件設計包括主控控制系統程序設計和界面操作程序設計兩部分.

控制系統程序主要由單片機完成，其功能有環境參數的數據采集、外部設備的控制以及數據的通信.它包括的功能模塊有：數據采集模塊、外設控制模塊及通訊模塊.

圖3　主控控制系統程序流程圖

(1)數據采集模塊：根據植物生長所需要的環境條件，需要采集的環境信息包括溫度、濕度、光照度和CO2濃度.溫濕度的采集由單片機的IO口直接與溫濕度傳感器SHT71的接口相連完成數據的采集[5]；CO2濃度的采集由單片機的ADC完成，把采集到的電壓值經過處理轉換成濃度值.

(2)外設控制模塊：需要控制的外部設備主要有LED光源、通風機、加熱器、制冷器及水泵等，單片機發出的控制信號與輸出電路的直流繼電器相連，分別控制外設的運行，工作流程圖如圖3所示.

(3)通訊模塊：通訊模塊是利用RS485串口與界面操作系統進行數據的傳輸，以實現環境參數與外設開關狀態的上傳，同時接收界面操作系統的控制信息，更新自身的控制狀態.

3.2界面操作程序

界面操作程序所要完成的功能主要有人機交互操作界面的設計以及與主控系統的數據通信，人機交互界面通過μC/GUI編寫.μC/GUI是一種用于嵌入式應用的圖形支持軟件.它被設計用于為任何一個使用圖形LCD的應用提供一個有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口.它能工作于單任務或多任務的系統環境、專用的操作系統或者任何商業的實時操作系統.

人機交互界面采用菜單方式，具有環境參數顯示、模式選擇、參數設定等功能，其主界面如圖4所示，界面操作程序如圖5所示.

圖4　人機交互界面

圖5　界面操作程序流程圖

4系統功能調試

4.1系統硬件調試

系統硬件調試主要對已經焊接好的電路進行調試，其調試對象有：系統電源調試，ATmega128L單片機的最小系統調試，以及系統模數轉換器模塊的基準電壓電路調試，當接通電源后測量基準電壓電路的輸出基準電壓值是否是穩定的直流5V電壓；系統的負載增加后，觀察基準電壓輸出電壓的變化.測試結果是基準電壓輸出的電壓值不受負載的變化而改變，此外還要進行系統MAX485功能模塊調試.對于控制系統，如果能使RE與DE功能相聯系，則當通信成功以后，會自動上傳采集到的數據.對于界面操作系統，則有選擇性地順序接收數據.

4.2系統軟件調試

系統軟件調試主要對已經調試好的電路進行軟件調試.如系統液晶顯示軟件調試是通過ICCAVR軟件編寫程序，根據液晶模塊的通信時序和控制寄存器編寫程序，把寫好的程序下載到單片機中，然后觀察液晶顯示屏上顯示的內容與程序編寫的內容是否一致，并根據屏幕上顯示的內容對程序進行修改.此外還有MAX485模塊軟件調試、傳感器調試和模數轉換器軟件調試.最后進行聯機調試，根據通信的協議編寫程序，分別把單片機與ARM通過MAX-232進行連接，通過串口調試助手軟件進行調試.

5結論

隨著植物工廠在世界各國的廣泛發展及人們對生活質量的關注越來越多，“家庭植物工廠”的發展也越來越快.本文設計的這套基于LED光源的植物生長環境模擬系統正是對此理念的一種實現，該系統設計簡單，成本、功耗相對較低，控制簡單可靠，較好地模擬出適合植物生長所需的生態環境，可以對未來家庭植物工廠的發展起到一定的推動作用.經過試驗驗證，該系統運行正常、可靠，達到了設計要求.

參考文獻：

[1]張成波,楊其長.植物工廠研究現狀與發展趨勢[J].華中農業大學學報，2004,(z2):34-37.

[2]楊其長.LED在農業領域的應用現狀與發展戰略[J].中國科技財富, 2011,(1):52-57.

[3]張舞杰,南亦民.基于STM32F103VB的應用編程技術的實現[J].計算機應用,2009,(10):2820-2822.

[4]陳樹成,楊志勇,王科.基于MG811探頭的二氧化碳采集系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2014,(1):47-50.

[5]于華麗,趙曉順,劉淑霞,等.傳感器SHT71在溫濕環境檢測系統中的應用[J]. 農機化研究,2008,(5):151-153.

(責任編校：晴川)

Study and Design of Control System for Plant Growth Cabinet

TIAN Yanyan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou College of Technology and Industrial Application,Zhengzhou Henan 451100, China)

Abstract：This paper designs a simulation environment system for the plant growth based on LED light source. The control system of crop growth cabinet is mainly composed of the touch screen interface system and control system, which communicate with each other through the RS485 module. The control core of the control system is ATmega128L single chip microcomputer, and the interface operating system uses 32-bit processor STM32F103VCwith Cortex_M3 as the kernel. The control system configures 7 inch TFT touch screen, uses μC/GUI to write simple man-machine interface, realizes real-time monitoring of plant growth environmental parameters in the cabinet, and simulates a variety of ecological environments of the plant by setting various parameters. So it is beneficial for the customized cultivation of all kinds of plants.

Key Words：plant growth cabinet; ATmega128L; sensor; LED light source

中圖分類號:TP29

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0067-03

作者簡介：田彥彥(1987— )，女，河南駐馬店人，鄭州工業應用技術學院機電工程學院教師，碩士.研究方向：智能控制與檢測技術.

收稿日期：2016-03-06