基于STM32F407微型植物工廠智能控制系統研制

左志宇，卓敏敏，毛罕平，譚 潔，唐學平，張文忠，趙 常

(1.江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇白雪電器股份有限公司，江蘇 蘇州 215500)

0 引言

近年來，由于生態環境惡化、自然災害頻繁、傳統農業種植方式生產效率低和生產成本高，使得農業發展面臨著新的挑戰。因此，如何利用設施農業技術以最少的能源、原料和人力進行高品質植物的大規模生產將是設施農業研究的主要方向[1-2]。

作為科學技術發展到一定階段的必然產物，植物工廠應運而生。植物工廠( Plant Factory)的概念最早是由日本提出來的，根據日本植物工廠學會的解釋，植物工廠是通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的高效農業系統，受到各國的普遍關注[3-5]；但植物工廠體積龐大，能耗較高，操作不方便，不適合家庭使用。微型植物工廠將植物工廠技術進一步濃縮，集成在一個冰箱大小的密閉環境里，通過智能自動控制系統控制作物生長的環境，為其提供適宜的光照、溫度、濕度條件及成分配比合理的營養液等[6-8]。這種高端栽培模式的興起，使蔬菜生產、消費零距離，不僅提供綠色無公害的蔬菜，為城市居民生活帶來極大方便，而且可以降低室內二氧化碳、增加氧氣，也可以作為綠色裝飾，美化家居，增添了居民的生活樂趣[9-10]。

設計合理高效的控制系統，使其內部作物始終處于適宜的生長環境，是微型植物工廠研制的關鍵所在。為此，設計了一款基于嵌入式平臺的智能控制系統，以STM32F407單片機為核心，采用LCD液晶屏和獨立按鍵進行人機交互，為作物生長提供適宜的生長環境。

1 控制系統整體設計

控制系統主要由基于STM32F407單片機的主控單元和基于STC單片機的執行單元組成。主控單元主要實現數據采集和處理、數據存儲、參數設置、控制決策、超限報警、與執行單元之間的信息交互、與遠程控制端的無線通信等功能，包括微控制器模塊、數據采集模塊、時鐘模塊、攝像頭模塊、存儲模塊、報警模塊、通信模塊及網絡模塊等；執行單元主要實現與主控單元的通信和驅動執行機構，包括壓縮機、加熱板、風機及進水閥等。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

微型植物工廠控制系統工作原理：

1)LCD19264液晶屏和獨立式鍵盤作為人機交互模塊，實現微型植物工廠系統參數設置和顯示、執行機構狀態查看和設置；

2)數據采集模塊將采集到的環境信息輸送至主控制器進行處理，根據調控策略，確定相應執行機構的運行狀態，通過RS485總線發送到執行單元，經過隔離放大，驅動相應執行機構動作；

3)采用OV2640攝像頭監控作物，系統定時獲取照片發送至遠程控制端；

4)網絡通信采用ESP8266串口轉WIFI網絡模塊，實現微型植物工廠與遠程控制端的數據傳輸。

2 控制系統硬件

2.1 微控制器模塊

主控單元的主控制器選用STM32F407ZGT6單片機。該芯片集成 FPU 和 DSP 指令，工作頻率達168MHz，具有 192、1024kb FLASH，以及I2 C、 SPI、 USART、DMA、FSMC、 SDIO 、DCMI等接口模塊[11]，能滿足系統的工作要求。

執行單元選用宏晶公司STC系列STC89C54RD+芯片。該芯片是高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的增強型8051單片機，工作頻率達80MHz，內部包括16kB的Flash程序存儲器ROM、1kB的數據存儲器RAM，能夠滿足執行機構驅動要求。

2.2 人機交互模塊

人機交互模塊包含液晶屏和按鍵兩個部分。液晶屏選用19264并行LCD，用于顯示系統設定參數、作物信息、環境檢測信息、系統工作狀態和系統時間等；按鍵采用獨立按鍵，包括功能菜單鍵、確認退出鍵、左鍵、右鍵、上鍵和下鍵等6個按鍵。主要完成的功能如下：

1)設置環境因子、時間等參數；

2)選擇作物的種類、工作模式；

3)查看執行機構的運行狀態。

2.3 數據采集模塊

數據采集模塊主要包括溫濕度傳感器、液位傳感器和圖像傳感器。

溫濕度傳感器選用AM2302數字溫濕度傳感器。這是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器,包括電容式感濕元件和 DS18B20 感溫器件,并與高性能 8 位單片機相連接,采樣信息以串行通信方式傳輸。

液位傳感器采用側裝式浮球開關，利用浮球內的磁鐵吸引磁簧開關的閉合，產生開關動作；浮球位置隨營養液液面高度變化，從而起到檢測液位的功能。

圖像傳感器采用OmniVision公司OV2640芯片，這是一顆 1/4 寸的 CMOS UXGA( 1632*1232)圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，通過SCCB總線控制，支持圖像壓縮，可通過STM32F4自帶的數字攝像頭(DCMI)接口輸出JPEG圖像數據流。由于傳感器本身接口比較復雜，本系統選用成型的OV2640攝像頭模塊來對微型植物工廠內部的植株生長情況進行記錄。

2.4 網絡模塊

網絡模塊用于實現微型植物工廠內部的遠程監控和通信。本系統選用ESP8266串口WiFi模塊。ESP8266是樂鑫公司生產的低功耗WIFI芯片，內置32位CPU，支持串口透明數據傳輸，內置TCP/IP協議棧和IEEE802.11協議棧，能夠獨立運行，也可以作為從機搭載于其它主機MCU運行。模塊支持3種工作模式，可快速構建數據傳輸方案，接入互聯網傳輸數據,滿足系統設計的要求。實物如圖2所示。

圖2 ESP8266模塊

配置ESP8266芯片工作在Station模式，VCC、GND、UTXD和URXD 4個引腳和STM32F407單片機相應引腳連接，電路原理如圖3所示。STM32F407通過串口與ESP8266通信，處理接收到的指令數據。當微型植物工廠設定參數或者設備工作狀態發生改變時，STM32F407單片機通過串口將數據發送給ESP8266，ESP8266轉發到服務器；如果用戶或專家通過手機端或電腦端對微型植物工廠進行控制，將控制數據發送給ESP8266，ESP8266轉發到STM32F407單片機，執行相應的指令操作，實現對微型植物工廠內部的遠程決策和托管服務。

圖3 網絡模塊電路圖

2.5 執行機構驅動模塊

微型植物工廠的執行機構主要包括降溫設備、加熱設備、內空氣循環設備、營養液循環設備、換新風設備及補光設備等。

降溫設備由壓縮機與散布在機器內表面的冷凝管及兩側的風機等構成。壓縮機放置在機器的底部；加溫設備由3塊加熱板構成，放置于機器的左側；內空氣循環設備為3個內循環風機，放置于每層栽培區的左側；營養液循環設備包括水泵、3個進水閥(放置于箱體左側)、水消毒紫外燈管(放置于箱體左側)和3個出水閥(放置于箱體右側)；換新風設備由增氧泵和空氣消毒紫外燈管組成，分別放置在機器的底部和左側；補光設備為紅藍配比5:1的LED生長燈，每層栽培區頂部放3支，共9支。各執行機構的參數和功能如表1所示。

表1 執行機構的參數和功能描述

執行機構均采用開關量控制。由于STM32F407單片機的GPIO口不能直接驅動設備，故在GPIO口與執行機構之間增加光耦、達林頓驅動電路和繼電器，利用光耦隔離強電設備在啟動和關閉過程中電流波動對系統整體穩定性的影響；達林頓驅動電路增強GPIO口輸出信號，驅動繼電器，控制執行機構動作。

3 控制系統軟件

控制系統軟件采用模塊化設計方法，各模塊之間既相互獨立，又協同工作。控制單元軟件是整個微型植物工廠控制系統的核心部分，主要完成環境參數的實時顯示、參數設置、數據信息采集、智能控制、超限報警及數據傳輸等功能；執行單元軟件完成與控制單元的信息交互和驅動執行機構。

3.1 人機交互設計

當系統沒有進行按鍵操作時，LCD19264主界面會循環顯示作物名稱、種植顆數、當前溫濕度、工作模式、設定溫濕度及當前工作狀態等信息；當系統的功能菜單鍵被按下，液晶屏進入功能選擇界面，包括執行機構設置、作物信息設置、控制參數設置和系統信息設置4個選項，分別點擊4個選項可進入相應參數的設置界面，通過點擊系統的確認退出鍵返回到上一層界面。系統人機交互界面的主框圖如圖4所示。

圖4 系統人機交互界面主框圖

3.2 基于Modbus RTU協議的RS485總線通信軟件設計

Modbus協議物理層選用RS485標準，采用一對一主從方式。主控單元作為主機，執行單元作為從機，使用Modbus03(讀取保持寄存器)和16(預置多寄存器)功能碼。系統的典型數據幀：

1)查詢執行機構工作狀態。

主機發送：01 03 00 00 00 02 C4 0B

從機響應：01 03 04 00 00 00 00 FA 3

2)發送執行機構控制指令。

主機發送：01 10 00 02 00 02 00 01 00 01 26 02

從機響應：01 10 00 02 00 02 E0 08

以執行單元為例，系統通信過程可簡單描述為：程序開始運行后，初始化串口，設置通信參數；程序初始化完成后，不停地查詢是否有接收中斷，同時在主函數中調用串口通信處理函數。執行單元串口通信處理函數軟件流程如圖5所示。

3.3 網絡模塊軟件設計

3.3.1 遠程通信流程

當遠程控制終端設備把需要傳遞的命令通過Internet和WiFi發送給ESP8266芯片，ESP8266芯片把WiFi信號轉換成串口數據，發送給STM32F407單片機；STM32F407單片機根據接收到的指令數據執行相關操作，并且在執行完畢后把需要反饋的信息發送至ESP8266芯片，ESP8266芯片把串口信號轉換成WiFi信號，并通過無線網絡發送給遠程控制終端設備。

3.3.2 無線通信協議制定

微型植物工廠內包含多種控制信息，必須通過標記才能區別不同的控制命令。因此既要保證系統有效地完成數據傳輸，又要保證參數設置功能、控制功能等系統功能實現，需要相應的通信協議進行規范。協議格式如表2所示，控制信息類型及功能數據對應關系如表3所示。

圖5 執行單元串口通信處理程序流程圖

表2 無線通信協議格式

表3 控制信息類型及功能數據對應關系

通信協議中不同字段用#分割，沒有數據的字段補0，最后以$結尾。比如：#01#00#01#01#3600#$，含義為打開通道1對應的執行機構，并讓其維持打開狀態3 600s。

3.3.3 網絡通信軟件設計

在網絡通信中，微控制器STM32F407單片機接收遠程控制終端傳來的指令，執行相關操作，并將反饋信息回傳給遠程控制終端。系統設定參數發生改變時，及時將改變后的數據上傳至遠程控制終端。

在程序設計中，首先初始化串口設置參數，接著查詢是否有網絡數據接收中斷。在有接收中斷的時候，對接收到的數據進行處理，同時在控制單元主函數中調用網絡通信處理函數，在該函數中對接收到的信號進行判斷，完成相應的操作。程序流程如圖6所示。

圖6 網絡處理程序流程圖

3.4 環境控制策略

本控制系統中包括溫濕度控制、營養液循環、換新風、栽培區補光、育苗室澆水與補光等控制策略，在此以溫度控制及營養液循環控制策略為例進行介紹。

3.4.1 溫度控制策略

微型植物工廠溫度控制包括制冷和加熱兩種模式。STM32F407單片機通過AM2302采集植物工廠內部的溫度信息，進行數據濾波處理，然后將溫度值與設定值進行比較，決定當前微型植物工廠內部溫度控制模式。軟件流程如圖7所示。

圖7 溫度控制模式選擇流程圖

3.4.2 營養液循環控制策略

本系統采用營養液栽培技術，營養液循環方式采取3層集中定時提供營養液，即每層營養液供應周期相同，但每層的營養液流量及浸泡時間可單獨控制。

營養液循環的具體工作流程分為7個步驟：下層營養液輸入、中層營養液輸入、上層營養液輸入、浸泡時間、下層營養液排出、中層營養液排出和上層營養液排出。

為了防止在營養液循環周期中意外斷電，導致系統當前循環周期沒有結束便等待下個循環周期的到來，在程序中定義2個單字節變量，即營養液循環進程標志(NSCProgressFlag)和營養液相關執行機構狀態標志(NSCDriverStateFlag)，分別用來保存營養液循環進程和營養液相關執行機構狀態，并將其即寫入到AT24C08存儲芯片中；待系統再次上電后，MCU先從AT24C08中讀取NSCProgressFlag和NSCDriverStateFlag的值，恢復斷電之前的營養液循環進程狀態及水泵、進水閥、出水閥等相關執行機構的工作狀態，再調用營養液循環函數，完成系統掉電之前的循環周期。

4 性能試驗

4.1 試驗設計

通過生菜種植試驗對微型植物工廠智能控制系統性能進行測試。試驗中，溫度設置為白天 23℃、夜間 18℃；3層栽培層光照環境相同，均為紅藍光配比為5：1的LED生長燈，且光周期和暗周期相等，均為12h；營養液循環方式采取3層集中定時提供營養液。試驗中的微型植物工廠如圖8所示。

圖8 試驗中的微型植物工廠

4.2 結果分析

微型植物工廠智能控制系統在生菜種植性能測試過程中，主控單元和執行單元均運行穩定，各部分功能均能實現。限于篇幅，下面僅以2017年12月21日10：00-17:00的溫度數據為例進行分析。微型植物工廠內各層溫度變化曲線如圖9所示。

圖9 溫度變化曲線

由圖9可以看出：升溫模式中，微型植物工廠內溫度變化分為上升時期和溫度保持時期。在溫度保持時期，上層和中層的溫度基本相同，稍高于下層溫度，上層、中層和下層溫度的平均控制誤差分別為0.3、0.2、0.9℃，能滿足常見作物的生長要求。

在整個試驗生長周期內，生菜生長狀態良好，沒有出現生長停滯、徒長、葉片萎靡不振及根部腐爛等現象，表明該微型植物工廠智能控制系統性能穩定，可以為作物提供良好的生長環境。

5 結論

為保證微型植物工廠內部作物處于適宜的生長環境，設計了一種基于嵌入式平臺的微型植物工廠智能控制系統。該系統在硬件上采用高性能的 STM32F407 芯片作為主控制器，以LCD19264液晶屏加獨立按鍵作為人機交互設計，在降低研制成本的同時，保證系統的穩定性和可靠性；軟件上對溫度、營養液循環、補光、換新風等均制定了合理的控制策略，保證了系統運行的準確性。經試驗驗證，系統運行穩定可靠，作物生長狀態良好。