智能溫室控制系統設計

關鍵詞：溫室；控制系統；智能控制；傳感器

0 引言

隨著生活水平的逐步提高，人們對蔬菜瓜果的需求越來越高，希望可選擇的范圍越廣越好。無論什么季節，都想將新鮮的蔬菜瓜果隨時買回家。智能溫室控制系統通過對溫室環境參數自動采集、分析后對各種溫室硬件設備進行調控以創造出最適宜農作物生長的環境，實現了對農作物的精準培育，也為種植一些對生長環境要求較為嚴格的農作物打下了堅實的基礎[1-4]。

本研究設計了一種基于STM32的智能溫室控制系統，對溫室內的溫度、濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照度、大氣壓力，以及溫室外風向和風速等環境因子進行實時監測，并對監測數據進行分析判斷，當室內溫度、土壤濕度的實測值達不到預先設定的閾值時，發出命令控制灌溉水泵、濕簾水泵、遮光簾和通風側窗等溫室設備執行相應動作以滿足作物生長的環境要求[5]。

1 總體設計方案

本控制系統是針對灌溉水泵、通風側窗、加濕簾、降溫風扇和遮陽網等設施齊全的已有溫室進行設計的，主要包括環境感知模塊、下位機和上位機。環境感知模塊是利用各種傳感器檢測溫室內、外的環境參數，為控制系統提供實時的基礎數據[6]。主要有土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、室內空氣溫度傳感器、室內空氣濕度傳感器、大氣壓力傳感器、二氧化碳濃度傳感器、室內光照度傳感器、室外光照度傳感器、室外風速傳感器及室外風向傳感器[7]。

下位機以STM32F407ZGT6單片機為核心，包括數模轉換電路、直流輸出電路、CAN總線電路、供電電路、USB接口通信和繼電器等。下位機能夠對環境感知模塊傳送的數據進行處理后通過RS232串口傳送給上位機，并且可接收上位機傳送的指令，發出執行命令控制溫室的執行設備進行相應的動作，以滿足溫室作物生長的環境要求[8-9]。

調節溫室環境的執行設備多，要實現智能控制，邏輯關系較為復雜，計算量較大，為了提高智能溫室控制系統的整體運行速度，將數據處理、邏輯運算、控制命令發出等功能放置在上位機中。上位機采用LabVIEW系統軟件開發，實現了對下位機發送數據的接收、處理和存儲，依據預先設定的上、下限閾值和邏輯關系進行邏輯判斷，并根據判斷結果發出控制命令傳送給下位機[10-11]。利用LabVIEW圖形化優勢，不僅對溫室的各個環境參數、執行設備的控制按鈕進行了直觀的圖形設計，而且針對溫室的執行設備設計了視頻動畫控件，如灌溉水泵、開關窗、風機和濕簾等，實現了人機交互的友好性。

2 環境感知模塊

智能溫室控制系統的核心內容是通過對影響溫室內作物生長環境參數（二氧化碳濃度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、土壤溫度、室外風向、室外風速、大氣壓力等）的檢測，實現自動控制溫室內執行設備、自動調節環境參數的目的[12]。所以采用何種傳感器、保證采集數據的準確傳輸是非常重要的部分[13]。

傳感器精度、使用條件及使用壽命都直接影響到整個系統的準確性。經過篩選，選定大連哲勤科技有限公司的土壤溫濕度傳感器，它采用優質316L不銹鋼針制作，隔離設計，永不電解，更耐土壤中鹽分的腐蝕。其電源電壓4.2～30.0V；土壤濕度測量范圍0～100%，測量誤差<4%；土壤溫度測量范圍?40～80°C，測量誤差±0.4°C；輸出信號0～5V，測量范圍是以探針為中心的圓柱體，直徑7cm、高10cm。該傳感器全部采用進口芯片及電子元件，具有精度高、使用壽命長、耐腐蝕、可靠性高、受土壤含鹽量影響小、輸出信號穩定及工作效率高等特點[14]。在確定了土壤溫濕度傳感器的型號后，選擇了北京世紀華翔工控科技中心的光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、大氣壓力傳感器、風速傳感器、風向傳感器、環境溫度傳感器和環境濕度傳感器。部分傳感器如圖1所示。

3 下位機

下位機采用一主多從的設計思路，主機、從機均采用24VDC電源供電，以STM32F407ZGT6芯片作為系統的主控芯片。主機、從機之間采用CAN總線通信，主機通過SPI總線連接顯示屏模塊實現信息匯總輸出與交互；從機設有8路數字量輸入及16路24VDC輸出，可以簡單地單獨對溫室內執行設備進行控制，也可與主機組網對溫室內執行設備進行控制。

3.1 供電電路（主從）

電路設計方面采用了兩塊德州儀器有限公司研發的LM25085開關穩壓控制器，分別實現24V?5V的功能。基于LM25085的Buck電路原理如圖2所示。

電源板采用Buck電路降壓，實現了較大的輸入?輸出電壓差（24V?5V），并且Buck電路在處理較大輸入?輸出電壓差時，依然可以保持較高的效率，效率達到90%以上。同時，Buck電路具有更好的熱性能，由于Buck電路的高效率，芯片及各個開關元器件不容易發熱，安全性大大提高[15]。

3.2 數模轉換電路（從）

數模轉換電路可以實現對外界的傳感器輸入的數字電信號進行采集及數據整理，并且通過通用串行接口向其他設備發送，達到“多合一”的目的。同時板載4路定時器捕獲接口，連接STM32的TIM外設，可以對外部的電信號進行時間采樣。通過STM32內部的編程，可以將外設接口封裝并且加上邏輯分析儀的功能，對采集的數據進一步融合[16]。

核心采樣部件是亞德諾半導體技術有限公司的AD7606芯片，其具有8路同步采樣輸入，可處理±5V真雙極性模擬輸入信號。其能夠實現對土壤溫濕度、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等的信息采集，并且具有完全集成的數據采集解決方案，擁有1MΩ模擬輸入阻抗的輸入緩沖區和模擬輸入鉗位保護等優勢。具體的電路如圖3所示。

3.3 直流輸出電路（從）

直流輸出電路采用24V直流電源供電，輸出電壓通過外部電阻進行編程，并且總線連接方便，可以使用3路串行總線對至少12路電磁閥輸出口進行控制，與其他模塊結合較為方便。每一路電磁閥輸出口可以承載30A持續電流，符合市場上大部分中小型電磁閥類執行器的驅動需求。直流輸出電路如圖4所示。

3.4 CAN總線電路（主從）

CAN總線是一種工業上常用的高速總線連接方式，具備通信速率高、信號穩定等優勢，是主機、從機信息交互的一種很好的選擇。控制器中CAN芯片采用了恩智浦半導體有限公司研發的TJA1050芯片，內置過溫、過流保護，可以提供1Mbps的高速CAN通信與對于最多110個線上外設進行通信的優異性能。走線上，為了減少高速通信中存在的共模信號雜波干擾，采用差分線進行布置。CAN總線電路如圖5所示。

3.5 單片機及其周邊電路設計（主從）

為保證控制器的主控芯片擁有足夠多的引腳來實現所需的各種功能，在芯片型號上選擇了STM32F407ZGT6芯片作為主控芯片。這款芯片擁有通信接口數量多達15個，其中包括4個串口、3個I2C接口、2個CAN接口和3個SPI接口；而且它擁有具有中斷功能的I/O接口數多達140個。這些特點能夠充分滿足主控板的設計需求[17]。較之STM32F1/F2等Cortex-M3產品，STM32F4最大的優勢，是硬件具有浮點單元（FPU）單精度，支持所有ARM單精度數據處理指令和數據類型以及DSP指令，同時，STM32F4是基于高性能ARMCortex-M432位RISC內核，主頻高達168MHz（可獲得210DMIPS的處理能力），這樣的處理能力也使得它完全能夠完成溫室智能化控制的任務要求。

單片機的周邊電路包括復位電路、燒錄接口、晶振時鐘電路及穩壓電容等。

4 上位機

上位機采用LabVIEW系統語言進行開發，具有數據接收顯示、智能控制、手動控制、參數設置和數據存儲查詢等功能。

4.1 數據接收顯示子程序

數據接收顯示部分能夠通過USB口將下位機傳送的溫室環境參數數據進行接收、處理并實時顯示在智能溫室控制系統主操作界面中。實時數據的接收是通過LabVIEW中的VISA功能對串口進行配置、打開、寫入和讀取來實現的。在顯示實時數值的同時本設計還對每個參數進行了圖形化控件處理，在系統運行過程中當環境參數的數據發生變化時，圖形控件會動態的進行改變，增強了人機交互性。

4.2 數據存儲查詢子程序

數據存儲查詢功能實現了對測量數據的定時存儲和查詢。存儲內容包括日期、時間、光照度、風速、風向、二氧化碳濃度、室內溫度、室內濕度、室外溫度、大氣壓力、土壤溫度和土壤濕度等。因為智能溫室控制系統需要存儲的數據量大，所以利用LabVIEW中TDMS功能的相關API函數進行對TDMS文件的讀寫實現數據的存儲和查詢。TDMS文件是美國國家儀器（NI）有限公司主推的一種二進制記錄文件，在存儲動態類型數據時讀寫速度更快，占用內存不大，沒有容量限制，非常適合存儲數據量龐大的測試數據。正常情況下還可以通過Excel打開TDMS文件。TDMS內部結構的核心是segment，每個segment由6個不同的數據段組成，當數據被寫入時實際上是新建了一個segment，這種結構是TDMS文件的隨機、高速存取特性的關鍵。

存儲數據的間隔時間可通過“參數設置”功能里的“數據保存間隔時間”進行修改。當需要查詢歷史數據時，可通過輸入想要查詢數據的日期、時間和存儲路徑，能輕松實現查詢、打印功能，方便對歷史數據進行分析。

4.3 參數設置子程序

參數設置功能實現對環境參數（室內溫度、土壤溫度）閾值和數據保存間隔時間進行設定和修改，保證智能溫室控制系統中智能控制和數據存儲。

4.4 智能控制子程序

當智能溫室控制系統主操作界面啟動智能控制時，上位機軟件將運行智能溫度控制和智能灌溉控制兩個子程序。依據接收到的環境參數實時數據與預先設定的上、下限閾值進行邏輯判斷，發出相應指令到下位機，由下位機控制溫室里的執行設備完成啟/停操作，滿足溫室的環境要求。控制指令的發送也是通過LabVIEW中的VISA功能來實現的。設計過程中應用了較多的視頻動畫控件，如滴灌、濕簾、推拉側窗、風機和濕簾開窗等控件，這些控件的制作素材與大棚的實物相對應，能更直觀地反映大棚的信息狀態。控件制作首先通過Photoshop對采集的視頻進行gif格式處理，然后通過LabVIEW中的控件制作，將gif格式的動畫與控制指令相對應，當控制指令發出后相對應的控件會出現相應的動畫效果。動畫控件如圖6所示。

4.4.1 智能溫度控制

（1）自然通風系統。依據溫室內的實測溫度，通過調節推拉側窗實現自然通風，當室溫達到溫度上限閾值時打開側窗，室溫達到溫度下限閾值時關閉側窗。

（2）強制通風系統。當自然通風系統啟動后，溫室內的實測溫度仍升高，達到溫度極限閾值時，同時啟動風機和濕簾水泵，并打開濕簾窗。當室溫達到溫度上限時，停止風機和濕簾水泵，并關閉濕簾窗。

4.4.2 智能灌溉控制

當土壤濕度實測值小于土壤濕度下限閾值時，開啟灌溉泵和閥門。當土壤濕度實測值大于土壤濕度上限閾值時，關閉灌溉泵和閥門。

4.5 手動控制

為了增加智能溫室控制系統的可靠性，在主操作界面中設置了“手動/自動”控制按鈕，當“自動”啟動時，運行智能控制子程序，反之運行手動控制子程序。手動控制子程序運行時，將進入手動控制操作界面，界面上有實時數據顯示區和執行設備控制區。執行設備控制區包括推拉側窗的開/關按鈕、灌溉泵的啟/停按鈕、灌溉閥門的開/關按鈕、風機的開/關按鈕、濕簾水泵的啟/停按鈕、濕簾窗戶的開/關按鈕。操作者可以通過觀測到的實時數據，按動相應按鈕控制溫室內執行設備進行動作。這些指令的發出通過LabVIEW中的VISA功能發送到下位機來實現。

5 結束語

本研究針對環境感知模塊、下位機和上位機分別進行了單項測試和整體測試，主要包括傳感器信號的輸出、傳感器與單片機間的通信、單片機與繼電器之間的通信、上位機與下位機之間的通信、上位機測量數值與執行設備的狀態顯示及智能控制的邏輯判斷等。經過反復測試和改進，控制系統達到了設計要求。系統目前應用在吉林省扶余市蔡家溝鎮特種蔬菜溫室內，在運行過程中，數據傳輸準確性好，穩定性強，實現了溫室的智能化種植，具有實用性強、可靠性高、升級成本低等特點，達到了縮短作物生長周期，提高作物產量的目的。