LED家庭植物工廠控制系統設計

韓麗麗，程 崢，牛萍娟，田海濤，梁立君，劉 雷，羅德智

(1.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387；2.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；3.天津工業大學大功率半導體照明應用系統教育部工程中心，天津 300387)

引言

圖1 系統功能設計Fig.1 Design of system function

近年來，隨著植物工廠LED照明研究的深入，新成果不斷涌現[1-3]。LED光源具有體積小、壽命長、光色可調等優點，被認為是全人工光型植物工廠的理想光源[4-6]。隨著大型植物工廠研究不斷深入，家庭植物工廠受到人們越來越多的關注。2010年中國農業科學院推出了一款“低碳·智能·家庭植物工廠”，它包含三層立體栽培空間，所用光源為白光LED[7]。2012年北京某公司研制了一種適合于樓宇、家庭使用的JPWZ-1家庭植物工廠，實現了栽培區的溫濕度環境的精準控制[8]。2015年中國農業科學院研制出了兩種型號的家庭植物工廠[9]。

目前我國研發的家庭植物工廠控制系統大多選用PLC作為核心控制器，成本較高；在營養液循環過程中，會出現有害微生物和植物自毒物質，依靠現有技術往往凈化不徹底；且應用物聯網技術衍生出的設備云平臺技術的實例很少。以上這些問題有待改進。我們通過對現有的家庭植物工廠控制系統進行分析，結合嵌入式技術、LED光源技術、無線通信技術、設備云平臺技術、智能控制技術，設計并開發了一種LED家庭植物工廠控制系統。

1 系統總體設計

1)控制系統功能設計。如圖1所示，LED家庭植物工廠控制系統由核心處理器、傳感器、LCD人機交互模塊、數據存儲模塊、電源、WIFI通信模塊、輸出控制模塊以及Android APP組成。傳感器模塊實現了對系統內光照強度、溫濕度、CO2濃度、營養液溫度、EC、pH和液位等環境和營養液因子數據信息的準確采集；通過在4.3寸LCD觸摸屏上搭建人機交互模塊，可以實時顯示環境和營養液因子數據信息，并對系統內的設備進行操控；數據存儲模塊由SPI FLASH、SD卡組成，SPI FLASH用來存放字庫信息，解決核心處理器的RAM不足的問題，SD卡用來更新字庫信息，采用FATFS文件系統管理；核心處理器是控制系統的核心，它根據傳感器模塊采集的數據，進行分析決策，等待LCD觸摸屏或Android APP的指令，發送相應的控制命令，從而調節輸出控制模塊，使環境和營養液因子始終保持在適合植物生長發育的合理范圍內；輸出控制模塊由加熱器、加濕器、制冷器、通風扇、CO2小鋼瓶、LED補光模組、深紫外LED凈水模組、水泵、蠕動泵組成；通過WIFI模塊和路由器接入機智云云平臺，并基于機智云提供的SDK包以及Android開源框架開發了一款Android APP，實現了對家庭植物工廠控制系統的遠程調控。

2)控制系統工作方式。核心處理器每隔10 s接收傳感器采集的數據，采用狄克松準則和卡爾曼濾波相結合的傳感器數據融合方案，將環境和營養液因子的數據信息顯示在LCD觸摸屏和Android APP上，再根據設定的環境因子的閾值進行判定，對系統內的輸出控制設備進行調控，其中，LED補光模組和深紫外LED模組通過PWM占空比進行調節；加熱器、加濕器以及CO2小鋼瓶等電氣設備的開啟與關閉通過控制繼電器的打開和閉合進行調節；水泵和蠕動泵通過電機驅動電路輸出相應的脈沖進行控制。

家庭植物工廠系統采用LED模組進行補光，利用水泵實現系統內營養液的循環，應用深紫外LED模組對循環的營養液進行凈化，調節蠕動泵完成滴加酸堿液的操作，并采用CO2小鋼瓶和通風扇協同進行CO2濃度的調控，其中深紫外LED模組、水泵作為環境調控設備均使用定時控制方式，可以實現PWM調速或調光等功能。光照強度、溫度、濕度、營養液溫度、pH則根據設定的閾值進行自動控制。溫度低于設定值時可以觸發加熱器啟動進行加熱，當溫度達到設定閾值時，加熱器關閉。其他環境和營養液因子的調控方式與溫度類似，滿足植物正常生長發育對環境和營養液因子的需求。

3)LED家庭植物工廠結構設計。LED家庭植物工廠在結構上與大型植物工廠相比有很大差別，需要根據要求做出合適的結構設計[10]。其結構設計方案如圖2所示。LED家庭植物工廠上面三層為植物栽培區，在每層LED模組和栽培區之間添加了隔熱材料，以防止LED散熱對栽培區的溫濕度造成影響；家庭植物工廠最下面一層是設備控制區，主要用于放置加熱器、制冷器、CO2小鋼瓶、營養液槽、水泵、蠕動泵以及深紫外LED模組等環境和營養液因子調控設備；營養液儲存在底層的營養液槽內，通過營養液循環系統對各層進行循環供給；在家庭植物工廠頂部安放了一塊4.3寸的LCD觸摸屏，可以實時顯示家庭植物工廠內部的環境信息，選擇運行模式并對系統內的設備進行調控。

在植物栽培區每層各安放了一個光照強度傳感器、溫濕度傳感器、CO2傳感器、加熱器、加濕器，并且在栽培區背面安裝了兩個通風扇，用于家庭植物工廠內外環境中CO2氣體的循環交換。在營養液槽內安放了一個營養液溫度傳感器、pH傳感器、EC傳感器、液位傳感器、加熱器、制冷器、蠕動泵，蠕動泵用于滴加酸堿液進行pH調節，并且可以通過改變水泵的速度從而控制營養液的流速。此外，在營養液循環系統中，安放了一塊深紫外LED模組對循環的營養液進行凈化，解決營養液在循環過程中產生有害微生物和植物自毒物質引發的病蟲害問題。

圖2 LED家庭植物工廠結構設計Fig.2 Design of LED family plant factory structure

2 系統的硬件實現

LED家庭植物工廠控制系統硬件由核心處理器、傳感器、LCD人機交互模塊、數據存儲模塊、電源、WIFI通信模塊、輸出控制模塊組成。選用220 V AC轉12 V DC的外接電源作為家庭植物工廠控制系統的總電源，12 V DC電源可以作為驅動蠕動泵的步進電機和水泵的直流電機的供電電源，通過設計降壓電路產生5 V、3.3 V直流電源向STM32芯片及各個外接模塊供電。

1)核心處理器。考慮到本系統外接傳感器和輸出控制模塊比較多，并且通過移植EMWIN搭建LCD觸摸屏人機交互模塊，需要用到較多的MCU資源，選用STM32F103ZET6作為核心處理器。它具有112個通用I/O口、64 kB SRAM、512 kB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器、3個 SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口[11]。在此芯片基礎上搭建STM32最小系統電路，同時搭建外圍電路實現環境和營養液因子采集、LCD人機交互、數據存儲、WIFI通信、LED補光模組和深紫外LED凈水模組的PWM調光、輸出設備控制等各項功能。

2)數據存儲模塊。由于在TFTLCD上需要顯示漢字，本文選用一個顯示速度快且不會占用大量RAM的漢字顯示方法，即把字庫存放在SPI FLASH中。選用華邦的大容量SPI FLASH產品W25Q128，容量為128 Mb，并支持標準SPI驅動模式[12]。STM32與SPI FLASH的連接電路如圖3(a)所示。其中CS為W25Q128的片選信號，由STM32控制；CLK為時鐘信號，由STM32產生；SO為W25Q128輸出數據到STM32中；SI為STM32輸出數據到W25Q128中。STM32和W25Q128都有一個串行移位寄存器，STM32通過向SPI串行寄存器寫入一個字節來啟動傳輸。寄存器通過MOSI信號線將字節傳送到W25Q128，并通過MISO信號線將其自身移位寄存器的內容返回給STM32，從而交換兩個移位寄存器的內容。

在某些情況下，可能會根據自己的需求制作其他字體的漢字字庫，一旦制作完成就需要更新SPI FLASH字庫，本文選用一個1 GB的MicroSD卡來存儲制作好的字庫文件，然后將其更新到SPI FLASH中。選用STM32自帶的SDIO接口驅動SD卡模塊，STM32與SD卡模塊的連接電路如圖3(b)所示。在SDIO模式下，STM32使用四條數據線與SD卡通信，每條數據線連接一個47 kΩ上拉電阻。STM32主機通過CLK信號線控制時鐘輸出，通過CMD信號線向SD卡模塊發送控制命令[13]。

圖3 數據存儲模塊電路Fig.3 Circuit of data storage module

3)LED模組及LED驅動電路。根據現有文獻和相關研究[14-17]，設計LED補光模組和深紫外LED凈水模組，其外形如圖4所示。LED補光模組采用15顆660 nm的紅光LED和3顆450 nm的藍光LED串聯而成，深紫外LED凈水模組采用2顆日本Bioraytron公司最新研發的275 nm的深紫外LED串聯而成。

圖4 LED補光模組和深紫外LED凈水模組Fig.4 Module of LED fill light and deep ultraviolet LED water purification

本文采用PAM2861降壓轉換器設計了LED恒流驅動電路，用于驅動LED補光模組和深紫外LED凈水模組并實現PWM調光。PAM2861是一款適用于單個或多個大功率LED串聯使用的中低電壓范圍的LED恒流降壓驅動芯片。PAM2861可以接受6～40 V的寬范圍輸入電壓，最大輸出電流可以達到1.5 A，功率最高可達24 W，恒流輸出精度為2%，效率高達97%以上。輸出電流可通過對VSET引腳進行PWM調節，PWM頻率為100～1 000 Hz，PWM最高輸入電壓是5 V，占空比從0～100%變化，可調整輸出電流的范圍從16%～100%，當此引腳輸入電壓小于0.3 V時，芯片會進入待機模式。LED恒流驅動電路如圖5所示。

圖5 LED恒流驅動電路Fig.5 Circuit of LED constant current driving

LED模組的電流大小由連接在VIN和CS兩端的電阻R決定，將STM32F1ZET6芯片產生的PWM信號送至PAM2861芯片的VSET引腳上實現調光功能，LED橫流驅動電路的輸出電流會發生變化。LED的亮度是由LED的電流決定，取決于PWM信號的占空比。一般情況下應設定PWM調光頻率在120 Hz以上，以免人眼能夠看到LED的閃爍。PAM2861調光頻率最高可達到20 kHz。

在輸入電源附近必須接一個旁路電容，旁路電容越大，效率損失會變大。該旁路電容必須要承受較大的電流，并能減小對輸入電源的沖擊。當為直流電源輸入時，旁路電容的值最小為4.7 μF，旁路電容應當與芯片的輸入引腳盡量靠近[18]。

對于二極管的選擇，為了保證最大的效率，考慮到肖基特二極管正向壓降低且漏電低，選擇肖特基二極管SS36。對于電感的選擇，由于PAM2861恒流驅動電路的輸出電流在700 mA左右，因此使用的電感大小為100 μH左右，一般電感的飽和電流與輸出電流相比高30%～50%。

圖6 軟件系統運行流程Fig.6 Process of software system operation

3 系統的軟件實現

1)軟件系統主程序。本文搭建的家庭植物工廠控制系統采用的核心處理器為STM32F103ZET6，它的開發平臺為由德國著名的嵌入式系統開發工具和服務供應商KEIL公司設計研發的MDK5，使用uVision5 IDE集成開發環境。本系統軟件運行流程如圖6所示。首先對系統的時鐘、定時器、I/O、SPI、IIC、ADC、SDIO、FSMC、USART等接口初始化，之后進行外圍設備的初始化，然后建立UCOSIII嵌入式實時操作系統，新建起始任務，并在起始任務里創建了包括傳感器采集、LCD人機交互、Gizwits協議通信、字庫更新、輸出控制決策等多個等待任務。這些等待任務在UCOSIII里作為并行線程執行。它們通過信號量和郵箱相互通信。整個過程構成了家庭植物工廠系統的軟件設計運行流程。

2)LCD人機交互模塊軟件設計。EMWIN是由德國的SEGGER公司開發的UI圖形界面庫，采用C語言進行設計。本文通過在STM32中移植EMWIN制作了家庭植物工廠的LCD人機交互界面，包含EMWIN在STM32上的移植和LCD人機交互的軟件設計。EMWIN在STM32上的移植主要包含添加GUI_X_UCOSIII.c文件、修改EMWIN庫文件以及修改GUIConf.h文件三部分。

圖7為家庭植物工廠系統的LCD人機交互界面。圖7(a)是本系統的主界面，由模式選擇、PWM控制、環境監測、設備控制四個圖標組成。圖7(b)是模式選擇界面，采用機智云Gizwits協議中自帶的NTP網絡時間請求函數giwitsGetNTP()來判斷WIFI模塊是否成功接入機智云服務器，成功連接服務器后，每秒調用 gizwitsGetNTP()函數來請求NTP網絡時間，WIFI模組收到請求后，會產生WIFI_NTP事件，事件中就會打印當前的網絡時間，以此來判斷是否連接機智云服務器，另外設置一個模式選擇按鈕，如果設置為自動模式，設備控制界面中的按鈕就會失效。圖7(c)為PWM控制界面，可以實現對LED補光燈的PWM調光和水泵直流電機的PWM調速操作。圖7(d)為設備控制界面，對系統內的各類輸出設備進行控制。

圖7 LCD人機交互界面Fig.7 Interface of LCD human-computer

3)云平臺接入與移動端開發。本文搭建的家庭植物工廠控制系統的無線通信方案是選用燒錄GAgent固件的WIFI模塊ESP8266通過GIZWITS協議接入機智云云端，STM32與ESP8266之間采用互相發送請求與應答指令的方法，實現兩者的串口通信[19]。設備上電后，當ESP8266首次訪問機智云云端時，需要通過按鍵選擇Airlink模式或者SoftAP模式。當ESP8266處在Airlink模式下，它將連續接收特定編碼的WIFI廣播包，手機連接可用的WIFI后，通過APP發送編碼后的WIFI網絡的SSID和密碼廣播，ESP8266接收到之后自動嘗試連接WIFI，本文采用的ESP8266已經燒錄了GAgent協議，內置了此模式。當ESP8266處在SoftAP配置模式時，它將成為一個無線訪問接入點，手機可直接與它進行連接，然后輸入路由器的SSID和密碼，ESP8266接收到信息的時候會自動嘗試連接路由器。ESP8266通過Gizwits協議成功接入云端后，會進入一個無限的循環，向STM32發送讀取設備狀態指令，STM32每隔10分鐘主動向ESP8266上報設備狀態值。機智云云平臺接入軟件設計流程如圖8所示。

圖8 機智云云平臺接入軟件流程Fig.8 Process of gitwits platform access software

機智云云平臺目前為用戶提供了3套SDK包：原生SDK、Android平臺原生SDK、APICloud跨平臺SDK。通過使用這些SDK包，可以無需關注復雜的通信協議，只需要進行簡單的代碼修改和UI設計，快速地進行APP的開發。本文首先在機智云Demo APP上進行了系統的調試，之后在Eclipse開發環境中上進行了家庭植物工廠的Android APP開發。

首先在機智云開發者中心生成家庭植物工廠的SDK包，將SDK包解壓后的libs目錄下所有內容復制到安卓APP開源框架的libs目錄。然后，開放AndroidManifest.xml中的所有SDK打印級別，以實現APP與機智云的通信，同時，注冊SDK監聽器用于回調SDK中定義的注冊、登錄、配置設備和綁定設備等回調接口。最后進行APP的UI設計，添加BindingDeviceActivity以回調綁定的設備，完成Android APP的快速開發。圖9為本文制作的家庭植物工廠的Android APP。用戶首先需要通過手機綁定注冊，填寫登錄密碼，實現登錄操作，并且提供了找回密碼功能。環境監測界面可以讓用戶了解當前系統內的環境和營養液因子的實時信息。電氣控制界面可以實現對LED補光燈調光和水泵調速的操作，并能輸出設備進行控制，這里設置了一個自動模式，在自動模式下，各類環境和營養液因子會通過閾值進行自動控制。閾值設置界面可以讓用戶對各類環境和營養液因子的閾值進行改變。

圖9 Android APP界面Fig.9 Interface of Android APP

4 系統測試

4.1 LED驅動電路及深紫外LED模組測試

對于LED恒流驅動電路的測試，在室溫25 ℃的條件下進行，測試LED恒流驅動電路輸入電壓和輸出電流的關系。當輸入端電流發生變化時，查看PAM2861輸出端的電流情況，測試結果如圖10(a)所示。從圖中可以看出，PAM2861輸出端的電流穩定在700 mA左右，滿足LED補光模組和深紫外LED模組的電流要求。

LED恒流驅動電路的效率與輸入電壓之間的關系如圖10(b)所示。從圖中可以看出，當輸入電壓在11～30 V之間變化時，其效率大于80%。

當PWM頻率設定在200 Hz時，PWM占空比與電流的關系如圖10(c)所示。從圖中可以看出，當PWM占空比從0上升至100%時，PAM2861輸出端電流從0 mA上升到700 mA，滿足LED補光模組和深紫外LED模組的調光要求。

深紫外LED模組光譜測試結果如圖10(d)所示。從圖中可以看出，測試光譜主要分布在275 mm附近，符合深紫外LED模組用于營養液凈化的需求。

圖10 LED驅動電路及深紫外LED模組測試Fig.10 Test of LED driver circuit and deep UV LED module

4.2 LCD人機交互模塊及移動端測試

在LCD人機交互模塊的設備控制界面中，分別測試加熱器指令、加酸指令及深紫外指令，任意兩種組合指令、三種組合指令各測試10次、50次、100次、200次和500次。計算指令碼失效的次數，其中失效率為失效次數占測試次數的百分比。將結果記錄在表1中。可以發現，各模塊運行情況良好，符合控制系統的應用需求。

在小米MIX2中進行了移動端的測試，打開Android APP，輸入帳號和密碼，在環境監測界面中可以查看環境和營養液因子的數據信息。在電氣控制界面中，分別測試加濕器指令、加堿指令和深紫外指令，任意兩種組合指令、三種組合指令各測試10次、50次、100次、200次和500次。計算指令碼失效的次數，其中失效率為失效次數占測試次數的百分比。將結果記錄在表2中。可以發現，Android APP的失效率比LCD人機交互模塊的失效率略高，可能的原因是手機信號不穩定，但總體上滿足本文搭建的家庭植物工廠系統的應用需求。

表1 指令失效率測試表Table 1 Table of instruction failure rate test

4.3 系統整體測試

在Android APP閾值設置界面中，分別輸入光照強度、溫度、濕度、營養液溫度、PH的上下限參數，從早上8點到晚上8點每隔半個小時在云平臺上監測系統內環境和營養液因子數據信息的變化情況，結果如圖11所示。從圖中可以發現，光照強度、溫度、濕度、營養液溫度在設置的閾值范圍內保持穩定，符合本文搭建的家庭植物工廠的預期要求。

表2 指令失效率測試表Table 2 Table of instruction failure rate test

圖11 系統整體測試Fig.11 System overall test

5 結語

我們設計并開發了一種LED家庭植物工廠控制系統，以STM32F103ZET6作為核心處理器，移植了UCOSIII嵌入式實時系統，通過WIFI模塊ESP8266接入機智云云平臺，采用LCD觸摸屏和Android APP進行人機交互。整體測試結果表明，系統各項性能均達到了設計要求，具有較高的可靠性，而且成本較低，滿足實際應用的需求。