中藥材光環境的自動控制系統設計

梁凱　韓睿澤　宋蕾

關鍵詞：藥材；光照；自動控制系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

0 引言

我國已將中醫藥發展上升為國家戰略，并對推進中醫藥事業發展做出了系統部署。國家加大了對中醫藥科研和創新的支持力度，通過加強科研機構建設、推動中醫藥現代化技術研發和中藥《藥品生產質量管理規范》（Good Manufacturing Practice ofMedical Products，GMP）認證等方式，提高中醫藥的質量，促進中醫藥產業的健康發展。此外，我國還加強了中醫藥國際交流與合作，提升中醫藥在國際組織中的地位，推動中醫藥的國際化發展。

在不同的光照條件下，中藥材的生長發育表現出不同的特性。例如，根據植物對光照強度的需求，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，如在不同光照強度或光照時間下處理金線蓮，可以觀察到其藥用成分含量均會發生變化[1-2]。

綜上，不同的中藥材對光照的需求有所不同，因此需要設計一種在種植過程中可以根據不同中藥材的特性自動進行光照調整的系統，即光環境自動控制系統（簡稱“自動控制系統”），從而提高中藥材的產量和品質。

1 系統設計

1.1 應用場景

自動控制系統主要應用于中藥材種植環境監控、中藥材生產管理、中藥材智能種植等領域。

1.2 功能要求

為了滿足中醫藥科研和創新的應用要求以及實現光質、光照強度、光照時間等因素的自動調控，自動控制系統應滿足以下要求。

（1）精確轉換光能。自動控制系統的根本作用是對藥材所需不同光環境進行精準轉換，促進藥材的培育。

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

（3）具備遠程操控系統。通過輸入指令，自動控制系統實現自動調節光顏色、光照強度以及定時控制光照時間。該遠程操控系統不會受到傳統種植方式自動化程度不高的約束，而且該遠程操控系統操作簡單，不受到年齡、受教育程度等方面的限制。遠程操控系統通過科技創新，使得種植變得簡單、省時省力。

1.3 軟件設計

單片機編程是一種通過編程語言（如C 語言、匯編語言等）來控制單片機行為的技術。自動控制系統使用了無線傳感器網絡技術，將RISC 微處理器（advanced RISC machines，ARM）技術和傳感器技術相結合[3]。軟件設計包括主程序、實時時鐘及中斷子程序（“看門狗定時器”，簡稱Watchdog）。脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）輸出控制中斷子程序、控制參數輸入子程序、碼制轉換子程序、顯示子程序、延時子程序，以及溫度采樣和控制參數隊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 則是一個常用的單片機編程環境，提供了代碼編輯、編譯、調試等功能。

1.4 硬件設計

自動控制系統相關的硬件如圖1 ～圖3 所示。

自動控制系統基于輸入的控制參數對光質、光照強度、光照時間等因素進行改變和控制，并且可以設置n 個梯度。根據實時時鐘的值改變當前溫度，從而實現梯度的自動改變。采用實時時鐘可以模擬一天的溫度和光照。在自動控制系統中，如果干擾破壞指令計算器的內容，便會出現“飛程序”，致使系統失控。該系統采用WatchDog 對“飛程序”進行檢測和自動恢復。

2 功能實現

自動控制系統的硬件架構如圖4 所示。該自動控制系統主要包括核心控制單元（STM32F103C8T6單片機）、光質智能變換模塊、光環境監測與自動調控模塊、定時模塊、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。自動控制系統的主要功能為：通過對太陽能的吸收，系統在任何環境下的能源均能保持充足；光環境監測與自動調控模塊檢測外部光環境的光照強度變化[4]，根據接收到的光變化指令，改變不同中藥材所需的光照強度；光質智能變換模塊和定時模塊通過解析中藥材所需的光照顏色及時間的指令來改變藥材所需的光環境。

在自動控制系統啟動后，首先，太陽能充電板吸收太陽能對電池進行充電；其次，初始化自動控制系統的各個模塊；最后，根據在LCD1602 液晶顯示器中顯示的光環境變化來轉換系統中不同中藥材所需的光環境[5]。如果監測到藥材周圍環境光照顏色出現變化，STM32F103C8T6 單片機可以對光質智能變換模塊發送指令，該模塊解析指令后并自動轉換為當前時間段適宜藥材生長的光照顏色，同時通過PWM 技術減少色差，提高光照顏色準確性。如果監測到藥材周圍環境光照強度出現變化，STM32F103C8T6 單片機對光環境監測與自動調控模塊發送指令，該模塊解析指令后并自動轉換為當前時間段適宜藥材生長的光照強度。光環境監測與自動調控模塊使用以光敏電阻為主的電路元件所集成的電路板，從而實現對光照強度信息的收集和顯示，以及對光照強度的智能調控。當外界光照強度低于所需的光照強度時，使用外加電源的方法通過增大功率來提升發光二極管（light emiting diode，LED）燈的光照強度。而藥材所需要的光質、光照強度、光照時間，可通過定時模塊，精準控制LED燈的定時開啟和待機時間。自動控制系統的工作流程如圖5 所示。

3 應用分析

3.1 系統研究結果

自動控制系統基于STM32 單片機和各個模塊的互相配合，對光照進行自動調控并且在顯示屏上顯示相應數據。太陽能電池可以持續為自動控制系統供電，保證系統的可持續性，同時也可以達到節能效果。光質智能變換模塊和光環境監測與自動調控模塊的精確性對光照調控效果產生的影響較大。在不同的光環境下，中藥材產量也會發生不同程度的變化。本文模擬了不同的天氣情況并對系統進行測試，結果顯示自動控制系統在不同天氣情況下均可以自動調節光照。經過對比可以發現，該系統可以提高中藥材的生產效率、降低生產成本。

3.2 系統優點

自動控制系統主要適用人群是文化程度不高的中藥材種植者。通過簡化該系統的操作系統，方便用戶的安裝和操作，同時也可以對數據進行實時監測。該系統只需要用戶輸入中藥材的名稱，便可以實現光照的自動轉化，最大限度地排除光照對藥材產量、藥用價值和品質等方面的影響。自動控制系統對光照的自動調控不受惡劣環境影響，從而使中藥材在最適宜的光照環境下生長。為了能夠精準調控，本系統采用了PWM 技術（圖6），提高了中藥材的品質及藥性。在節能方面，該系統使用太陽能電池，其可以支撐系統的全天用電量。

3.3 未來發展

隨著科技的發展以及工業逐步進入自動化，自動控制系統將會變得更智能化，對其的需求量也將增大。隨著物聯網技術的發展，未來該系統可能會實現與互聯網的深度融合，進一步提高生產效率，減少人力成本，實現中醫藥的可持續發展。

4 結語

綜上所述，自動控制系統在中藥材種植領域具有重要的作用。本文通過 STM32F1 系列開發板、PWM 技術以及其他智能控制模塊，設計了中藥材光環境的自動控制系統。結果表明，在模塊設計方面，光照的自動調控精確性對中藥材的產量和品質等有不同程度的影響。如果遇到自然災害等特殊情況，用戶可通過手動按鍵對系統進行人工操控，同時在顯示屏上看到相應的實時數據。研究發現，自動控制系統在國內外具有較大的發展空間，未來可以對智能控制模塊進行更深層次的研究，以進一步優化系統，使其在環境異常情況下依然可以自動調控，從而進一步提高中藥材的生產效率以及產量和品質。