溫室無害生長植物工廠智能監控系統

河北農業大學 李磊 梁潤東 丁新飛 儲相龍 谷偉樂 李朝亮

1 制作方案

1.1 比較與選擇

1.1.1 單片機型號選擇

微型植物工廠采用STM32F103RCT6 單片機，該單片機為ARM 架構，具備成熟的開發生態環境應用廣泛，時鐘頻率72Mhz，必要情況下可超頻，擁有多個硬件IIC、SPI 和UART 通訊端口以及八個內部定時器，功耗低。

1.1.2 傳感器選擇

空氣溫濕度傳感器SHT20，該傳感器，通過內部MCU 將獲取到的空氣溫濕度數值進行處理濾波然后以IIC 通訊方式將數據以數字量的形式直接上傳到單片機，土壤溫濕度傳感器以串口通訊的方式，115200 的波特率與單片機進行通訊，將土壤溫濕度數據上傳單片機，光照強度OPT101 傳感器，具備集成的硬件運算放大濾波電路，將光照強度轉變為0- 3.3V 的模擬量，再通過單片機內部12 位ADC 進行A/D 轉換，可得出實時光照強度數據，以上三個傳感器具備低功耗、使用廣泛、工作穩定的優點。

1.1.3 電機控制器選擇

本系統需要水泵對土壤進行補水，風扇對工廠內部進行通風，所以選擇廉價的L298N 電機驅動器，其控制精度滿足本系統要求，且輸出功率可達36W，反應速度快，控制邏輯簡單，可長時間持續運轉。

1.1.4 電源的設計

微型植物工廠采用太陽能電池板、可充電鋰電池和12V 直流電源進行供電，三部分電源設計其優點在于，天氣狀況良好的情況下，太陽能電池板可保證系統正常運行的同時給鋰電池進行充電，在陰天的時候鋰電池進行工作，若持續陰雨天氣，可接市電進行工作，由于一天之中太陽光光強的變化，太陽能電池板輸出的電壓波動變化幅度較大，采用升壓再降壓穩壓電路，既保證輸出電壓穩定在12V 輸出電流滿足系統最大功率運行，在夜間太陽能電池板不能提供電源的時候，此時使用單片機內部ADC 附加外部電路對電壓進行檢測，太陽能電池板發電電壓低于9V 后切斷太陽能電池板的供電，采用鋰電池或者市電進行供電，保證系統持續運行。

1.1.5 顯示模塊選擇

使用7 引腳封裝的OLED128*64 屏幕，其采用SPI 的通訊方式，具有極快的刷新速度，低功耗運行時間長工作穩定。

1.1.6 電路設計

控制部分和傳感器供電電源部分使用7805 三端穩壓芯片將12V 直流降壓為穩定的5V 電壓，5V 電壓在負責給土壤溫濕度傳感器進行供電的同時，再通過兩片AMS1117- 3.3V 并聯穩壓負責給單片機、SHT20、OPT101 以及OLED 屏幕進行供電，因為AMS1117- 3.3V 額定輸出電流為500mA，不能滿足后期對系統進行升級改進增加功能的要求，所以采用并聯的方式提供足夠供電能力。

1.1.7 電機選擇

水泵電機選擇常用直流12V385 有刷電機，該電機內阻小，減速組損耗低工作運行穩定，風扇選擇9cm*9cm 12V 6W 散熱扇，價格便宜，該系列風扇常用作電腦散熱扇因此運行穩定使用時間長。

2 設計思路及工作原理

基于太陽能供電的微型植物工廠智能監控系統采用了三電源供電方式，保證系統穩定持續運行，以SHT20，土壤溫濕度傳感器、OPT101 對影響植物生長狀況的各項環境參數進行檢測，并通過STM32 對采集到的數據進行冒泡法濾波處理，將各項參數與之前設定好的閾值進行比較，通過定時器輸出PWM對通風扇轉速進行控制，應用PID 算法對室內空氣加熱棒進行控制，和實時光照補充，以及I/O 口輸出高低電平控制8050NPN 行三極管導通和截止再由三極管控制繼電器，三極管對水泵進行開關，這里的不采用I/O 直接控制繼電器，防止使用過程中電機或者繼電器出現故障反向電壓擊穿單片機。

3 理論分析與軟件設計

3.1 算法濾波

3.1.1 冒泡法濾波

冒泡法是目前最常用的效率較高的數據初步處理方法，程序設計中采用冒泡法對空氣溫濕度數據、土壤溫室度數據、光照強度數據，十個一組進行冒泡法排序，去掉十個數據中的最大值最小值，然后再求剩余八組數據的平均值，優點在于：本身數據通過傳感器內部電路進行處理就比較穩定，再上傳到單片機進行冒泡法排序濾波得到的數據更加接近于此時環境的真實狀態，且冒泡法排序占用單片機資源少，算法簡單效率高，不會影響系統的反應速度，保證系統實時處理能力，且經過濾波后增加了系統的使用壽命，消除了數據出現的波峰和波谷。

3.1.2 PID 算法

微型植物工廠顧名思義最重要的就是像工廠一樣持續穩定的運行，該系統采用基于單片機系統的PID 算法，PID 分別為比例、微分、積分，比例保證了系統的反應速度，I、D 共同決定了系統的運行精度，該算法保證工廠內部各項環境維持在植物生長最佳范圍內，其中對風扇風速的控制采用PD 算法其優勢在于反應速度快，且與SHT20 傳感器組成閉環控制，保證室內空氣濕度在可控范圍內，加熱棒采用PI 算法進行控制，雖然PI 算法的反應速度較PD 慢，但是其控制精度高，能保證植物始終處于最佳生長溫度范圍內。光強控制方面直接采用比例算法與OPT101 反饋的光強數據形成閉環控制，保證植物的光合作用處于最高效的狀態。

3.2 軟件設計

軟件部分的設計包括以下幾個部分：OLED 屏幕底層驅動程序搭建、單片機定時器配置程序搭建、軟件IIC、軟件SPI 和硬件串口通訊配置程序搭建、SHT20 和土壤傳感器配置程序搭建、單片機內部12 位ADC 配置程序搭建、單片機看門狗底層配置設計，看門狗用于運行過程中監視程序狀態，系統出現異常，停止程序運行，對系統進行重啟，如果重啟后再次出現錯誤，將報警通知技術員解決。

底層代碼采用HAL 庫進行編寫，HAL 庫是ST 公司推出的目前在STM32 系列單片機上廣泛應用的固件庫，對單片機內部寄存器包括定時器、I/O 口、串口、A/D 轉換初始化、看門狗配置初始化可直接采用官方退出的CubeMX 進行圖形化配置，其底層代碼邏輯性強、可讀性高、可移植性強，節省了大量的底層軟件設計時間，在底層代碼搭建完成后，參照網上Github、CSDN 等諸多電子設計開發開源資料，對上層邏輯控制部分進行設計、編程、調試。

4 硬件結構設計

整個模型分成四部分：第一部分為歐標2020 鋁型材搭建50cm*30cm*40cm 框架，框架之間以亞克力板作為透明擋板，既可以直接觀察植物的生長狀況；第二部分為核心控制部分，采用自行設計PCB 板構建，PCB 上包括單片機、空氣溫濕度傳感器SHT20、土壤溫濕度傳感器、穩壓模塊、顯示屏幕等；第三部分為電機及電機驅動部分：包括IRF3205 大功率MOS 管、8050NPN型三極管、L298N 電機驅動，風扇、水泵；第四部分為電源部分：其中包括太陽能電池板、12V 可充電鋰電池、市電轉12V 穩壓直流電源。

5 總結

經過實際實驗運行監測，本文中基于太陽能供電的微型植物工廠智能監控系統方案可行，且工作運行穩定，以ARM 架構的32 位單片機為控制核心的結合各種傳感器構成了該系統。能夠在模型內部空氣溫度升高的時候，及時打開通風扇進行通風降溫，在土壤含水量低于閾值時打開水泵，進行滴灌，在外界溫度降低時，加熱棒和通風扇結合共同維持系統的溫度處于植物生長發育的最佳范圍，并隨著外界光強的變化，模型內的LED 燈通過單片機對占空比的調整達到控制補光的效果，使植物處于最佳的光合作用狀態。該系統硬件可靠耐用，軟件全面能自我調整，整體適應性強。