基于STM32的植物補光調控系統設計

易 藝，竇文淼，莫燕蘭，袁頌岳

(1.桂林電子科技大學 信息科技學院，廣西 桂林 541004；2.桂林亦元生現代生物技術有限公司，廣西 桂林 541004)

0 引言

組織培養是對傳統植物繁殖方法的突破，它能使有性繁殖成活率低和不能有性繁殖的植物繁育出新的植株，且不受季節、氣候、自然災害等因素影響[1]。組織培養的繁殖周期短，擴繁速度快，短時間內可繁殖出大量植株。通過組織培養不但能節省常規無性繁殖所需要的大量母本植物，保持母本優良性狀一致，還可以防止植物種性退化。目前，組織培養在快速繁殖、育種、保存瀕危植物種質資源等工作中得到廣泛的應用。

在植物組織培養過程中，光不僅是植物光合作用的能量來源，而且對植物生長發育、形態建成和生理代謝等各個方面均有調節和控制作用[2]。傳統組培室對不同植物組培苗以及植物組培苗不同生長階段進行補光大都采用統一的植物補光方式，不能根據植物生長需求對光進行合適的調節，因而影響植物組培苗的培育質量。熒光燈、高壓鈉燈等傳統植物補光光源都含有植物生長不需要的光譜，只有部分波段的光可以被植物吸收利用，存在光能量浪費，耗能較高，在組培室中使用傳統植物補光光源，不易獲得高性價比的植物組培苗。相對于傳統植物補光光源，LED光源具有發光效率高、體積小、功耗低、壽命長和便于控制等優點[3]。近年來，利用LED光源對植物生長進行補光的研究受到廣泛關注，并成為許多科研人員研究的課題[4-6]。

在植物組織培養過程中，為了更好地實現對組培室內的植物進行補光，降低育苗成本，本文以微控制器STM32F103VET6為主控芯片，設計了一種組培室植物生長LED補光調控系統。該系統可以根據需要按時、按量對植物組培苗進行補光，為在組培室內采用LED光源對植物進行補光提供一種參考。

1 系統組成與原理

組培室植物生長補光調控系統由上位機、補光總控中心和補光調控節點組成，其系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

上位機和補光總控中心安放在組培室管理中心，上位機為手機或筆記本電腦，手機通過GPRS與補光總控中心進行信號的傳輸，筆記本電腦通過USB與補光總控中心進行信號的傳輸。補光調控節點安裝在組培室內的植物組培架上，方便對組培植物進行補光。補光總控中心通過RS485通信模塊與安裝在組培室內的多個補光調控節點進行信號的傳輸。系統的工作原理為：1)上位機向補光總控中心發送任務指令和補光參數。植物組培技術員根據組培植物的需求通過上位機輸入任務指令和植物補光參數，然后發送給補光總控中心進行存儲；2)補光總控中心將上位機發送來的任務指令和植物補光時間、光照度等補光參數進行處理，然后通過RS485通信模塊傳輸到組培室內的各個補光調控節點進行存儲；3)組培室內的補光調控節點對接收到的任務指令和植物補光參數進行處理，然后控制D/A模塊和LED光源驅動模塊對LED光源進行調光，同時通過光照度傳感器模塊檢測LED光源的光照度是否滿足預設植物補光光照的要求，如果沒有達到預設光照參數要求，則進行適當的調整，直至達到預設的光照參數要求，實現對植物補光參數的閉環控制。植物組培技術員可以根據需要通過上位機輸入調光控制指令和參數，傳輸給補光總控中心，補光總控中心進行處理后，對組培室內的補光調控節點進行控制與管理。補光調控節點按照接收到的控制指令和參數進行光環境參數的調控，并將調控結果返回給上位機，給植物組培技術員參考。

2 系統硬件設計

系統的硬件設計主要包括補光總控中心和補光調控節點的電路設計。

2.1 補光總控中心的硬件設計

補光總控中心作為上位機與補光調控節點的中間橋梁，用于接收上位機的任務指令和植物補光參數并進行處理，然后控制和管理組培室內的全部補光調控節點進行工作。它主要由微控制器和與之相連接的GPRS模塊、USB轉串口模塊、時鐘模塊、RS485通信模塊和存儲器模塊組成。其硬件電路設計如圖2所示。

圖2 補光總控中心硬件電路設計框圖

補光總控中心選用性價比高、功耗低的STM32F103VET6芯片作為微控制器，其片內集成有SPI通信接口、I2C通信接口、USART通信接口和多組I/O接口等豐富的片上資源[7]，易于實現對組培室內主控節點和補光調控節點的控制和管理。

GPRS模塊選用TTL串口轉GPRS模塊USR-GPRS232-7S3來實現[8-9]。該模塊是濟南有人物聯網技術有限公司推出的GPRS模塊，它可以與微控制器的串口相連接，實現TTL串口轉GPRS雙向數據透明傳輸功能。

RS485通信模塊選用自動控制流向的MAX485芯片來設計實現。該通信模塊為TTL串口轉RS485模塊，通過串口與微控制器進行通信。

時鐘模塊選用內部自帶溫補晶振電路的DS3231高精度時鐘模塊來實現。該模塊通過I2C通信協議與微控制器進行通信[10]。

植物組培技術員既可以根據需要通過上位機實現對組培室內的LED光源進行開啟與關閉，又可以通過上位機進行查看或修改LED光源的光照時間、光照強度等參數。系統參數設置完成后，補光總控中心可以脫離上位機，控制和管理組培室內的補光調控節點進行工作。

2.2 補光調控節點的硬件設計

補光調控節點接收補光總控中心的任務指令，并根據任務指令和植物補光參數對組培室內組培架上的LED光源進行調控。補光調控節點主要由微控制器、RS485通信模塊、光照度傳感器模塊、D/A模塊、電壓檢測電路、LED光源驅動模塊和LED光源組成。其硬件電路設計如圖3所示。

圖3 補光調控節點硬件電路設計框圖

LED光源驅動模塊由繼電器電路和開關電源電路組成，開關電源電路選用JM-360W-60可調開關電源來實現，該電源的AC輸入電壓為220 V，DC輸出電壓調整范圍為0～60 V，最大輸出電流6 A，通過輸入信號電壓0～5 V來調節輸出電壓，將其電壓調節控制端連接至D/A電路的輸出端，實現對開關電源輸出電壓的調節。繼電器電路的控制端與微控制器的I/O口相連，用來切換選擇給不同光譜的LED光源供電。

D/A模塊主要用來給可調開關電源提供輸入控制電壓。由于可調開關電源的最大輸入控制電壓5 V，因此選用TI公司的電壓輸出型DAC 芯片TLV5616來設計實現。TLV5616通過SPI接口與微控制器的I/O口相連接。由MC1403電壓基準芯片為其提供基準電壓[11]，D/A模塊電路連接如圖4所示。

圖4 D/A電路框圖

光照度傳感器模塊選用BH1750FVI芯片作為光照檢測傳感器，用于檢測LED光源的光照強度，微控制器將檢測得到的LED光源的光照強度與預設值進行比較，如果沒有達到預設值的要求，微控制器將控制D/A模塊和LED光源驅動模塊對LED光源的光照度進行適當的調整，直至達到光照強度預設值的要求，以形成閉環控制[12]，實現光照強度的調整。該模塊通過I2C通信協議與微控制器進行通信，可以測量0～65 535 Lx的光照強度。

補光調控節點選用性價比高、功耗低的STM32F103C8T6作為微控制器，其片內集成有64 KB的Flash、20 KB的SRAM、I2C通信接口、2個12位的A/D轉換器、USART通信接口和多組I/O接口等豐富的片上資源，易于實現對補光調控節點中各個電路模塊的控制和管理，協調補光調控節點中各個電路模塊進行工作。STM32F103C8T6微控制器通過RS485通信模塊接收補光總控中心發送的植物補光時間、光照強度等補光參數，然后根據補光參數和指令對組培架上的LED光源進行控制，根據植物補光需要實現對LED光源光照強度的調節。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括補光總控中心軟件設計和補光調控節點軟件設計。補光總控中心軟件設計和補光調控節點軟件設計都采用程序模塊化的設計方法，首先將系統軟件設計分為多個子程序模塊的設計，然后畫出軟件流程圖，最后在Keil uVision5集成開發環境下，用C語言來編程實現補光總控中心和補光調控節點的各個軟件模塊的程序設計。

3.1 補光總控中心軟件設計

補光總控中心的軟件設計主要包括時鐘模塊的驅動程序設計、USART驅動程序設計和存儲器模塊的驅動程序設計，其主程序流程如圖5所示。補光總控中心的軟件工作流程為：補光總控中心開始工作后，STM32F103VET6微控制器先對其內部資源以及與之相連接的GPRS模塊、USB轉串口模塊、時鐘模塊、RS485通信模塊和存儲器模塊進行初始化；接著判斷是否收到上位機指令和植物補光參數，如果接收到上位機指令和植物補光參數，則進行指令和植物補光參數的處理與存儲；如果沒有接收到上位機指令和植物補光參數，接下來將判斷是否接收到補光調控節點的數據，如果接收到補光調控節點的數據，則進行數據的處理，并發送給上位機；如果沒有接收到補光調控節點的數據，接下來微控制器將通過I2C通信協議讀取時鐘模塊的實時時鐘，并進行時鐘和補光參數的數據處理，然后根據存儲的植物補光參數(如：光照強度和補光時間)向補光調控節點發送控制指令和補光調控參數。

圖5 補光總控中心主程序流程圖

3.2 補光調控節點軟件設計

補光調控節點軟件設計主要包括BH1750FVI的驅動程序設計、USART驅動程序設計、A/D驅動程序設計和TLV5616的驅動程序設計，其主程序流程如圖6所示。補光調控節點的軟件工作流程為：補光調控節點開始工作后，STM32F103C8T6微控制器先對其內部資源以及與之相連接的RS485通信模塊、光照度傳感器模塊和D/A模塊進行初始化；接著判斷是否收到補光總控中心指令和植物補光參數，如果接收到補光總控中心指令和植物補光參數，則進行指令和植物補光參數的處理；如果沒有接收到補光總控中心指令和植物補光參數，接下來微控制器將控制光照度傳感器模塊工作，獲取組培室內的LED光源的光照強度，并判斷LED光源的光照強度是否在設置范圍內，如果LED光源的光照強度不在設置范圍內，則微控制器將控制D/A模塊和LED光源驅動模塊對LED光源的光照強度進行適當的調整，直至達到LED光源光照強度預設范圍的要求，然后根據預設的光照時間參數調用光照時間控制函數對植物按時進行補光。

圖6 補光調控節點主程序流程圖

4 系統功能實驗

為了驗證植物補光調控系統的功能，選擇紅光和藍光LED作為LED光源，將設計制作完成的LED補光調控電路按照圖7建立實驗測試電路，然后采用優利德數字式照度計UT382對補光調控電路的光照度參數調節情況進行實驗測試，得到其部分參數測量結果如表1所示。

圖7 補光調控電路的實驗測試圖

表1 LED光源光照度測量結果表

測試結果表明，補光調控電路對LED光源的光照度參數調節范圍寬、調節精度較高、誤差較小，能夠滿足組培室植物補光的需求。

5 結束語

本文以STM32微控制器作為控制核心，結合電子技術、傳感器技術和測控技術，設計了一種組培室植物補光調控系統。闡述了系統的組成原理和軟硬件設計方法，并對植物補光調控系統進行實驗驗證。測試結果表明，系統達到了預期的設計要求，可以在常規組培室根據需要對植物組培苗按時、按量進行補光，相對于傳統組培室植物補光方式而言，達到節約能源的目的，減少育苗成本，為在組培室內采用LED光源對植物進行補光提供一種參考。

但該植物補光調控系統也存在不足的地方，比如：植物補光存在LED光源光照分布不均勻、不能對光質進行科學的調控等問題，在今后的研究中，需要對植物補光調控系統進一步改進，以完善植物補光調控系統的功能，并建立豐富的數據庫，實現在上位機選擇植物類型，就可以自適應地完成對植物補光光環境的調控。