基于STM32的精準定位卷簾機控制器開發與研究

張曉霞

（甘肅機電職業技術學院，甘肅天水,741001）

0 引言

近幾年隨著國家一帶一路政策的實行，農業領域得到了政府的高度重視，河西一帶等多個地區的眾多農業園區已在政府的大力扶持下初見規模。各個地區的農業大棚數量迅速增長，也相應的刺激著卷簾機市場需求不斷擴大。現有的普通卷簾機控制器安裝需要布設繁瑣的電線電纜以及很多的機械限位開關，這些限位開關不僅自身具有一定的缺陷，而且還破壞了整體結構，給以后的維護增加了很大的一部分成本。如果機械開關一旦失效，整個卷簾就會從棚頂掉到高墻的后面，造成損失。隨著工業生產自動化技術的開發，農業在今后的發展也對自動化的提出了更高的要求[1]。目前大規模的農業溫棚環境中使用了自動控制技術，取得了一定的經濟效益，但我國大部分地區還是分散實施溫棚種植。由于各片區大棚建設不夠規范。現有的控制系統成本高，并且很難實自動化管理。本文在通過實地考察西北河西地區農業園區各類型溫棚，分析現有溫棚卷簾、澆灌等技術存在的問題，借鑒大規模溫棚控制系統的優勢，提出一套能滿足中小規模溫棚智能控制系統，徹底解決中小規模溫棚種植發展中的系列問題。

1 研究現狀

目前，我國在溫室自動控制控制技術和設備應用方面的總體水平還不是很高。近年來，中央政府對“三農”問題越來越重視，對我國農業的快速發展和自動化控制提出了更高、更強的要求。我國研制生產的溫室控制產品在質量和性能方面與發達國家仍有較大差距，但差距正在縮短。國內研制的溫棚控制系統存在功能較少、成本較高、普通農戶操作難度大等問題。

西方國家為了獲得更大的效益和競爭農產品的世界市場份額，大幅增加對農業自動化的投資，使微電子技術、自動控制技術在農業自動化中得到了廣泛的應用，溫棚通過計算機達到了自動控制和管理，擺脫了人工栽培在自然條件下非實時、夜間無人看管等局限性[2]。

隨著工業生產自動化技術的發展，目前在大規模的農業溫棚環境中使用了自動控制技術，取得了一定的成效，但我國大部分地區還是分散實施溫棚種植，尤其在西部，都是以村為單位集中種植，現有的智能控制系統單套價格均在萬元以上，其成本高，采用了多模塊集成技術，性能不穩定，不適用單個家庭或村級單位使用。

2 理論依據

日光溫室智能控制系統根據農作物生長數據采集后通過自動決策和選擇控制參數，目標是為農作物提供最有利的生長環境。這是是一種交叉融合技術，跨越人工智能理論、數據庫技術、信息技術、生物學和電子科學等學科，涵蓋了多種高科技前沿學科[3]，這對對社會經濟的發展具有深遠的意義。因此本文旨在分析現有溫棚卷簾、澆灌、補光技等技術存在的問題，借鑒大規模溫棚控制系統的優勢，提出一套能滿足中小規模溫棚智能控制系統，徹底解決中小規模日光溫室農作物種植發展中的系列問題。

3 總體設計

基于STM32的精準定位卷簾機控制系統以STM32F103 C8T6微控制器為主控芯片，結構由七部分組成如溫度采集模塊、濕度采集模塊、光照強度采集模塊、鍵盤輸入模塊、數碼顯示模塊、自動驅動模塊、遠程控制模塊；采用分散采集和集中數據處理的方式達到自動控制，并具有遠程控制和手動控制模式功能。設施農業日光溫室大數據分析涉及到近三年日光溫室農作物種植季節分布情況、農作物生長環境基本指標分析、設施農業中小規模型種植現有技術情況等，硬件部分涉及到各種傳感器的應用技術（濕度檢測、溫度檢測、光照檢測）、電機驅動技術、核心控制電路設計、數據通訊技術、數碼顯示技術、遠程控制技術和模數轉換技術，軟件部分涉及到大數據理論分析的驗證、主控器的程序設計、采樣器的邏輯設計等。日光溫室智能控制系統能夠檢測和采集各種環境參數，并將其轉換成數字信號傳送給主控制器。主控制器對接收到的數字信號進行運算處理之后可以對各執行單元進行控制。軟件設計采用模塊化編程，軟件開發均采用C語言，實時性強。主要程序模塊包括系統監控程序、時鐘模塊控制程序、A/D轉換程序、系統顯示模塊程序等[4]。

本文在詳細了解國內外溫室控制技術發展趨勢和前沿技術的基礎上，分析了溫室卷簾、澆水、補光技術存在的問題，設計了一套新穎可靠的控制方案，細化到每個具體的技術細節。

3.1 硬件系統設計

基于STM32的精準定位卷簾機控制系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 智能控制系統框圖

基于STM32的精準定位卷簾機控制系統的硬件設計主要包括采樣器電路及主控制器電路。主控制器完成與采樣器之間的通信，采樣器對溫室內的溫度、濕度、光照等信號進行檢測，并將檢測到的數據傳輸給主控制器。根據主控芯片的處理結果，主控芯片可以對溫室的環境參數進行控制。主控制器外圍設備包括顯示模塊、鍵盤、水泵、驅動電機、系統故障報警蜂鳴器[5]。主控制器和采樣器的外部驅動控制由繼電器完成。繼電器驅動電路采用集電極開路的晶體管驅動電路，由繼電器的通、斷控制外置電機的轉動。為了提高系統的穩定性和可靠性，可以從過程通道、供電系統和印刷電路板等硬件方面進行抗干擾設計[6]。其中外置電機啟動為電流自動調節的軟啟動方式。這種啟動方式克服了傳統的簡單延時加速控制可能出現的較大啟動沖擊電流和強烈的反沖震動，它能自動調節電機電流至接近配置的工作電流，電機啟動迅速而無強烈的反沖震動；電機制動為電流自動調節的能耗制動方式。此能耗制動方式非傳統簡單地將剎車電阻并在電機電源線上或對電機電源線直接短接，而是由 MOS 管產生恒定的制動電流，可將電機的動能迅速地釋放到能量消耗器件上，以實現電機在短時間內制動而無強烈的沖擊震動。

3.2 軟件設計

控制器系統采用C語言作為程序設計語言。用Kei1C51軟件編寫了主控制器和采樣器的程序。系統的各功能分別編寫功能函數程序，便于調試。系統終端的控制方式有兩種：通過定時方式進行人工控制和遙控器控制。采樣器程序流程圖如圖2所示。

圖2 采樣器程序流程圖

部分控制程序如下：

3.3 主要實現功能

一是要求系統響應快，工作可靠性強。系統投入運行后，所有元器件采用防水、防銹、防輻射器件，能夠保證溫棚中培育作物的安全，溫室的控制應嚴格按照溫室中作物階段性的生長規律進行，在每個階段都要確保室內環境的溫度、濕度和光照指數滿足要求；二是考慮農戶使用，盡可能減少系統成本，使該控制系統在保證良好的社會效益的前提下盡可能達到增產降耗，使之成為讓廣大農戶用得起、用的放心的一個系統[7]；三是測量數據準確，確保控制響應同步進行。智能控制系統采用了多種傳感器，設置在不同地方，所有數據全部傳入主控制器，進行PID調節，對數據的采集、處理、反饋等技術要求較高，做到控制響應同步化。四是編程簡單化，遠程控制能實現1-N控制模式。智能控制系統在軟件程序編寫時，考慮的穩定性等要求，要求反復試驗，選取最佳程序運行。遠程控制不但能實現一座溫棚的控制，同時能夠滿足冷涼灌區多座溫棚的控制[8]。

4 結論

本文針對在農村溫室種植中主要存在四個問題提出了解決方案和技術研究。一是溫棚種植者多為中老年人和婦女，其體力缺乏、無設備操作技術；二是現有大部分溫室均采用的機械卷簾模式，需要農民到每個溫室進行操作；三是部分農業園區引進了自動卷簾技術，但還是需要操作人員實地操作；四是冷涼灌區氣溫很不穩定，寒流、沙塵天氣頻繁出現，農戶多數采用蜂窩煤補充溫度，對農作物生長極為不利[9]。針對以上四個問題，本文研究的智能控制系統應用于冷涼灌區日光溫室后，能解決現有智能控制器功能單一、成本高昂、不穩定、操作復雜等問題；能解決現有的單一控制方式，將實現1-N控制模式，即無需操作人員到每個溫室進行操作，就可以實時查看多個溫室的動態信息，實現一人對多個溫室的自動控制，提高了農業生產效率，解放了勞動力；能解決自動灌溉問題和自動補光升溫問題，實現了節約用水并減少化肥及農藥的用量，從而降低了農產品的成本，顯著提高農戶的生產效率和經濟效益，特別適合現有溫棚種植農戶[10]。

（1）溫度控制:溫室內的溫度是采用溫度傳感器進行檢測的。當溫度過高時系統自動卷簾進行降溫;當溫度過低時實現自動放簾，達到升溫的目的。

（2）濕度控制：通過濕度傳感器檢測土壤的濕度，當濕度過高時對溫室進行通風功能并停止灌溉；當濕度太低時，驅動澆灌系統實現自動按需灌溉功能，在保證農作物正常生長情況下，實現節水。

（3）夜間補光控制：在夜間溫棚光照度很低，為增強光照度可控制電光源對農作物進行補光；在白天如果光照度太強可打開遮陽網，以減小光照強度。