中藥材光環(huán)境的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁凱　韓睿澤　宋蕾

關(guān)鍵詞：藥材；光照；自動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

我國已將中醫(yī)藥發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，并對推進(jìn)中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展做出了系統(tǒng)部署。國家加大了對中醫(yī)藥科研和創(chuàng)新的支持力度，通過加強(qiáng)科研機(jī)構(gòu)建設(shè)、推動中醫(yī)藥現(xiàn)代化技術(shù)研發(fā)和中藥《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》（Good Manufacturing Practice ofMedical Products，GMP）認(rèn)證等方式，提高中醫(yī)藥的質(zhì)量，促進(jìn)中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。此外，我國還加強(qiáng)了中醫(yī)藥國際交流與合作，提升中醫(yī)藥在國際組織中的地位，推動中醫(yī)藥的國際化發(fā)展。

在不同的光照條件下，中藥材的生長發(fā)育表現(xiàn)出不同的特性。例如，根據(jù)植物對光照強(qiáng)度的需求，可以將植物分為陽生植物（如北沙參、山藥、顛茄子等，主要生長在直曬陽光充足的地方）、陰生植物（如人參、西洋參等，不能忍受強(qiáng)烈日光照射，喜歡在陰濕的地方生長）和中間型植物（如天門冬、麥門冬等，處于喜陽和耐陰之間）。光照對藥用成分的積累也有直接影響，如在不同光照強(qiáng)度或光照時(shí)間下處理金線蓮，可以觀察到其藥用成分含量均會發(fā)生變化[1-2]。

綜上，不同的中藥材對光照的需求有所不同，因此需要設(shè)計(jì)一種在種植過程中可以根據(jù)不同中藥材的特性自動進(jìn)行光照調(diào)整的系統(tǒng)，即光環(huán)境自動控制系統(tǒng)（簡稱“自動控制系統(tǒng)”），從而提高中藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)用場景

自動控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于中藥材種植環(huán)境監(jiān)控、中藥材生產(chǎn)管理、中藥材智能種植等領(lǐng)域。

1.2 功能要求

為了滿足中醫(yī)藥科研和創(chuàng)新的應(yīng)用要求以及實(shí)現(xiàn)光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間等因素的自動調(diào)控，自動控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求。

（1）精確轉(zhuǎn)換光能。自動控制系統(tǒng)的根本作用是對藥材所需不同光環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，促進(jìn)藥材的培育。

（2）利用太陽能電池供能。為了響應(yīng)節(jié)能降耗的國家政策，自動控制系統(tǒng)搭載太陽能電池。基于光電效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。

（3）具備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。通過輸入指令，自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)光顏色、光照強(qiáng)度以及定時(shí)控制光照時(shí)間。該遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)不會受到傳統(tǒng)種植方式自動化程度不高的約束，而且該遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)操作簡單，不受到年齡、受教育程度等方面的限制。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)通過科技創(chuàng)新，使得種植變得簡單、省時(shí)省力。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)編程是一種通過編程語言（如C 語言、匯編語言等）來控制單片機(jī)行為的技術(shù)。自動控制系統(tǒng)使用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將RISC 微處理器（advanced RISC machines，ARM）技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合[3]。軟件設(shè)計(jì)包括主程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及中斷子程序（“看門狗定時(shí)器”，簡稱Watchdog）。脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）輸出控制中斷子程序、控制參數(shù)輸入子程序、碼制轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、延時(shí)子程序，以及溫度采樣和控制參數(shù)隊(duì)列初始指針定位子程序等[4]。此外，STM32 的編程還需要使用一些特定的工具，如STM32CubeMX 和Keil 等。STM32CubeMX 是意法半導(dǎo)體公司提供的圖形化配置工具，可以幫助用戶生成初始化代碼，簡化工程的初始化過程；Keil 則是一個(gè)常用的單片機(jī)編程環(huán)境，提供了代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能。

1.4 硬件設(shè)計(jì)

自動控制系統(tǒng)相關(guān)的硬件如圖1 ～圖3 所示。

自動控制系統(tǒng)基于輸入的控制參數(shù)對光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間等因素進(jìn)行改變和控制，并且可以設(shè)置n 個(gè)梯度。根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的值改變當(dāng)前溫度，從而實(shí)現(xiàn)梯度的自動改變。采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以模擬一天的溫度和光照。在自動控制系統(tǒng)中，如果干擾破壞指令計(jì)算器的內(nèi)容，便會出現(xiàn)“飛程序”，致使系統(tǒng)失控。該系統(tǒng)采用WatchDog 對“飛程序”進(jìn)行檢測和自動恢復(fù)。

2 功能實(shí)現(xiàn)

自動控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖4 所示。該自動控制系統(tǒng)主要包括核心控制單元（STM32F103C8T6單片機(jī)）、光質(zhì)智能變換模塊、光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊、定時(shí)模塊、顯示模塊（LCD1602液晶顯示器）、PWM 芯片、太陽能板、光敏電阻電路板以及電源等模塊。自動控制系統(tǒng)的主要功能為：通過對太陽能的吸收，系統(tǒng)在任何環(huán)境下的能源均能保持充足；光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊檢測外部光環(huán)境的光照強(qiáng)度變化[4]，根據(jù)接收到的光變化指令，改變不同中藥材所需的光照強(qiáng)度；光質(zhì)智能變換模塊和定時(shí)模塊通過解析中藥材所需的光照顏色及時(shí)間的指令來改變藥材所需的光環(huán)境。

在自動控制系統(tǒng)啟動后，首先，太陽能充電板吸收太陽能對電池進(jìn)行充電；其次，初始化自動控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊；最后，根據(jù)在LCD1602 液晶顯示器中顯示的光環(huán)境變化來轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中不同中藥材所需的光環(huán)境[5]。如果監(jiān)測到藥材周圍環(huán)境光照顏色出現(xiàn)變化，STM32F103C8T6 單片機(jī)可以對光質(zhì)智能變換模塊發(fā)送指令，該模塊解析指令后并自動轉(zhuǎn)換為當(dāng)前時(shí)間段適宜藥材生長的光照顏色，同時(shí)通過PWM 技術(shù)減少色差，提高光照顏色準(zhǔn)確性。如果監(jiān)測到藥材周圍環(huán)境光照強(qiáng)度出現(xiàn)變化，STM32F103C8T6 單片機(jī)對光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊發(fā)送指令，該模塊解析指令后并自動轉(zhuǎn)換為當(dāng)前時(shí)間段適宜藥材生長的光照強(qiáng)度。光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊使用以光敏電阻為主的電路元件所集成的電路板，從而實(shí)現(xiàn)對光照強(qiáng)度信息的收集和顯示，以及對光照強(qiáng)度的智能調(diào)控。當(dāng)外界光照強(qiáng)度低于所需的光照強(qiáng)度時(shí)，使用外加電源的方法通過增大功率來提升發(fā)光二極管（light emiting diode，LED）燈的光照強(qiáng)度。而藥材所需要的光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間，可通過定時(shí)模塊，精準(zhǔn)控制LED燈的定時(shí)開啟和待機(jī)時(shí)間。自動控制系統(tǒng)的工作流程如圖5 所示。

3 應(yīng)用分析

3.1 系統(tǒng)研究結(jié)果

自動控制系統(tǒng)基于STM32 單片機(jī)和各個(gè)模塊的互相配合，對光照進(jìn)行自動調(diào)控并且在顯示屏上顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。太陽能電池可以持續(xù)為自動控制系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的可持續(xù)性，同時(shí)也可以達(dá)到節(jié)能效果。光質(zhì)智能變換模塊和光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊的精確性對光照調(diào)控效果產(chǎn)生的影響較大。在不同的光環(huán)境下，中藥材產(chǎn)量也會發(fā)生不同程度的變化。本文模擬了不同的天氣情況并對系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果顯示自動控制系統(tǒng)在不同天氣情況下均可以自動調(diào)節(jié)光照。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以提高中藥材的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

自動控制系統(tǒng)主要適用人群是文化程度不高的中藥材種植者。通過簡化該系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，方便用戶的安裝和操作，同時(shí)也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)只需要用戶輸入中藥材的名稱，便可以實(shí)現(xiàn)光照的自動轉(zhuǎn)化，最大限度地排除光照對藥材產(chǎn)量、藥用價(jià)值和品質(zhì)等方面的影響。自動控制系統(tǒng)對光照的自動調(diào)控不受惡劣環(huán)境影響，從而使中藥材在最適宜的光照環(huán)境下生長。為了能夠精準(zhǔn)調(diào)控，本系統(tǒng)采用了PWM 技術(shù)（圖6），提高了中藥材的品質(zhì)及藥性。在節(jié)能方面，該系統(tǒng)使用太陽能電池，其可以支撐系統(tǒng)的全天用電量。

3.3 未來發(fā)展

隨著科技的發(fā)展以及工業(yè)逐步進(jìn)入自動化，自動控制系統(tǒng)將會變得更智能化，對其的需求量也將增大。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來該系統(tǒng)可能會實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，減少人力成本，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)藥的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，自動控制系統(tǒng)在中藥材種植領(lǐng)域具有重要的作用。本文通過 STM32F1 系列開發(fā)板、PWM 技術(shù)以及其他智能控制模塊，設(shè)計(jì)了中藥材光環(huán)境的自動控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，在模塊設(shè)計(jì)方面，光照的自動調(diào)控精確性對中藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)等有不同程度的影響。如果遇到自然災(zāi)害等特殊情況，用戶可通過手動按鍵對系統(tǒng)進(jìn)行人工操控，同時(shí)在顯示屏上看到相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，自動控制系統(tǒng)在國內(nèi)外具有較大的發(fā)展空間，未來可以對智能控制模塊進(jìn)行更深層次的研究，以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，使其在環(huán)境異常情況下依然可以自動調(diào)控，從而進(jìn)一步提高中藥材的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)量和品質(zhì)。