基于STM32的植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

易 藝，竇文淼，莫燕蘭，袁頌岳

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

0 引言

組織培養(yǎng)是對(duì)傳統(tǒng)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(jié)、氣候、自然災(zāi)害等因素影響[1]。組織培養(yǎng)的繁殖周期短，擴(kuò)繁速度快，短時(shí)間內(nèi)可繁殖出大量植株。通過組織培養(yǎng)不但能節(jié)省常規(guī)無性繁殖所需要的大量母本植物，保持母本優(yōu)良性狀一致，還可以防止植物種性退化。目前，組織培養(yǎng)在快速繁殖、育種、保存瀕危植物種質(zhì)資源等工作中得到廣泛的應(yīng)用。

在植物組織培養(yǎng)過程中，光不僅是植物光合作用的能量來源，而且對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)建成和生理代謝等各個(gè)方面均有調(diào)節(jié)和控制作用[2]。傳統(tǒng)組培室對(duì)不同植物組培苗以及植物組培苗不同生長(zhǎng)階段進(jìn)行補(bǔ)光大都采用統(tǒng)一的植物補(bǔ)光方式，不能根據(jù)植物生長(zhǎng)需求對(duì)光進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)，因而影響植物組培苗的培育質(zhì)量。熒光燈、高壓鈉燈等傳統(tǒng)植物補(bǔ)光光源都含有植物生長(zhǎng)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(fèi)，耗能較高，在組培室中使用傳統(tǒng)植物補(bǔ)光光源，不易獲得高性價(jià)比的植物組培苗。相對(duì)于傳統(tǒng)植物補(bǔ)光光源，LED光源具有發(fā)光效率高、體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)和便于控制等優(yōu)點(diǎn)[3]。近年來，利用LED光源對(duì)植物生長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)光的研究受到廣泛關(guān)注，并成為許多科研人員研究的課題[4-6]。

在植物組織培養(yǎng)過程中，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)組培室內(nèi)的植物進(jìn)行補(bǔ)光，降低育苗成本，本文以微控制器STM32F103VET6為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種組培室植物生長(zhǎng)LED補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)需要按時(shí)、按量對(duì)植物組培苗進(jìn)行補(bǔ)光，為在組培室內(nèi)采用LED光源對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光提供一種參考。

1 系統(tǒng)組成與原理

組培室植物生長(zhǎng)補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)由上位機(jī)、補(bǔ)光總控中心和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

上位機(jī)和補(bǔ)光總控中心安放在組培室管理中心，上位機(jī)為手機(jī)或筆記本電腦，手機(jī)通過GPRS與補(bǔ)光總控中心進(jìn)行信號(hào)的傳輸，筆記本電腦通過USB與補(bǔ)光總控中心進(jìn)行信號(hào)的傳輸。補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)安裝在組培室內(nèi)的植物組培架上，方便對(duì)組培植物進(jìn)行補(bǔ)光。補(bǔ)光總控中心通過RS485通信模塊與安裝在組培室內(nèi)的多個(gè)補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。系統(tǒng)的工作原理為：1)上位機(jī)向補(bǔ)光總控中心發(fā)送任務(wù)指令和補(bǔ)光參數(shù)。植物組培技術(shù)員根據(jù)組培植物的需求通過上位機(jī)輸入任務(wù)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)，然后發(fā)送給補(bǔ)光總控中心進(jìn)行存儲(chǔ)；2)補(bǔ)光總控中心將上位機(jī)發(fā)送來的任務(wù)指令和植物補(bǔ)光時(shí)間、光照度等補(bǔ)光參數(shù)進(jìn)行處理，然后通過RS485通信模塊傳輸?shù)浇M培室內(nèi)的各個(gè)補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)；3)組培室內(nèi)的補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的任務(wù)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)進(jìn)行處理，然后控制D/A模塊和LED光源驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)LED光源進(jìn)行調(diào)光，同時(shí)通過光照度傳感器模塊檢測(cè)LED光源的光照度是否滿足預(yù)設(shè)植物補(bǔ)光光照的要求，如果沒有達(dá)到預(yù)設(shè)光照參數(shù)要求，則進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的光照參數(shù)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物補(bǔ)光參數(shù)的閉環(huán)控制。植物組培技術(shù)員可以根據(jù)需要通過上位機(jī)輸入調(diào)光控制指令和參數(shù)，傳輸給補(bǔ)光總控中心，補(bǔ)光總控中心進(jìn)行處理后，對(duì)組培室內(nèi)的補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制與管理。補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)按照接收到的控制指令和參數(shù)進(jìn)行光環(huán)境參數(shù)的調(diào)控，并將調(diào)控結(jié)果返回給上位機(jī)，給植物組培技術(shù)員參考。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括補(bǔ)光總控中心和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)。

2.1 補(bǔ)光總控中心的硬件設(shè)計(jì)

補(bǔ)光總控中心作為上位機(jī)與補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的中間橋梁，用于接收上位機(jī)的任務(wù)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)并進(jìn)行處理，然后控制和管理組培室內(nèi)的全部補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作。它主要由微控制器和與之相連接的GPRS模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、時(shí)鐘模塊、RS485通信模塊和存儲(chǔ)器模塊組成。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 補(bǔ)光總控中心硬件電路設(shè)計(jì)框圖

補(bǔ)光總控中心選用性價(jià)比高、功耗低的STM32F103VET6芯片作為微控制器，其片內(nèi)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(shí)現(xiàn)對(duì)組培室內(nèi)主控節(jié)點(diǎn)和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的控制和管理。

GPRS模塊選用TTL串口轉(zhuǎn)GPRS模塊USR-GPRS232-7S3來實(shí)現(xiàn)[8-9]。該模塊是濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shí)現(xiàn)TTL串口轉(zhuǎn)GPRS雙向數(shù)據(jù)透明傳輸功能。

RS485通信模塊選用自動(dòng)控制流向的MAX485芯片來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。該通信模塊為TTL串口轉(zhuǎn)RS485模塊，通過串口與微控制器進(jìn)行通信。

時(shí)鐘模塊選用內(nèi)部自帶溫補(bǔ)晶振電路的DS3231高精度時(shí)鐘模塊來實(shí)現(xiàn)。該模塊通過I2C通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行通信[10]。

植物組培技術(shù)員既可以根據(jù)需要通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)組培室內(nèi)的LED光源進(jìn)行開啟與關(guān)閉，又可以通過上位機(jī)進(jìn)行查看或修改LED光源的光照時(shí)間、光照強(qiáng)度等參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置完成后，補(bǔ)光總控中心可以脫離上位機(jī)，控制和管理組培室內(nèi)的補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作。

2.2 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)接收補(bǔ)光總控中心的任務(wù)指令，并根據(jù)任務(wù)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)對(duì)組培室內(nèi)組培架上的LED光源進(jìn)行調(diào)控。補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)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(cè)電路、LED光源驅(qū)動(dòng)模塊和LED光源組成。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)框圖

LED光源驅(qū)動(dòng)模塊由繼電器電路和開關(guān)電源電路組成，開關(guān)電源電路選用JM-360W-60可調(diào)開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)，該電源的AC輸入電壓為220 V，DC輸出電壓調(diào)整范圍為0～60 V，最大輸出電流6 A，通過輸入信號(hào)電壓0～5 V來調(diào)節(jié)輸出電壓，將其電壓調(diào)節(jié)控制端連接至D/A電路的輸出端，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源輸出電壓的調(diào)節(jié)。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(diào)開關(guān)電源提供輸入控制電壓。由于可調(diào)開關(guān)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。TLV5616通過SPI接口與微控制器的I/O口相連接。由MC1403電壓基準(zhǔn)芯片為其提供基準(zhǔn)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(cè)傳感器，用于檢測(cè)LED光源的光照強(qiáng)度，微控制器將檢測(cè)得到的LED光源的光照強(qiáng)度與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值的要求，微控制器將控制D/A模塊和LED光源驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)LED光源的光照度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直至達(dá)到光照強(qiáng)度預(yù)設(shè)值的要求，以形成閉環(huán)控制[12]，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的調(diào)整。該模塊通過I2C通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行通信，可以測(cè)量0～65 535 Lx的光照強(qiáng)度。

補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)選用性價(jià)比高、功耗低的STM32F103C8T6作為微控制器，其片內(nèi)集成有64 KB的Flash、20 KB的SRAM、I2C通信接口、2個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)中各個(gè)電路模塊的控制和管理，協(xié)調(diào)補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)中各個(gè)電路模塊進(jìn)行工作。STM32F103C8T6微控制器通過RS485通信模塊接收補(bǔ)光總控中心發(fā)送的植物補(bǔ)光時(shí)間、光照強(qiáng)度等補(bǔ)光參數(shù)，然后根據(jù)補(bǔ)光參數(shù)和指令對(duì)組培架上的LED光源進(jìn)行控制，根據(jù)植物補(bǔ)光需要實(shí)現(xiàn)對(duì)LED光源光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括補(bǔ)光總控中心軟件設(shè)計(jì)和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。補(bǔ)光總控中心軟件設(shè)計(jì)和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)都采用程序模塊化的設(shè)計(jì)方法，首先將系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為多個(gè)子程序模塊的設(shè)計(jì)，然后畫出軟件流程圖，最后在Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境下，用C語(yǔ)言來編程實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光總控中心和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的各個(gè)軟件模塊的程序設(shè)計(jì)。

3.1 補(bǔ)光總控中心軟件設(shè)計(jì)

補(bǔ)光總控中心的軟件設(shè)計(jì)主要包括時(shí)鐘模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、USART驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)器模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，其主程序流程如圖5所示。補(bǔ)光總控中心的軟件工作流程為：補(bǔ)光總控中心開始工作后，STM32F103VET6微控制器先對(duì)其內(nèi)部資源以及與之相連接的GPRS模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、時(shí)鐘模塊、RS485通信模塊和存儲(chǔ)器模塊進(jìn)行初始化；接著判斷是否收到上位機(jī)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)，如果接收到上位機(jī)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)，則進(jìn)行指令和植物補(bǔ)光參數(shù)的處理與存儲(chǔ)；如果沒有接收到上位機(jī)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)，接下來將判斷是否接收到補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如果接收到補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并發(fā)送給上位機(jī)；如果沒有接收到補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，接下來微控制器將通過I2C通信協(xié)議讀取時(shí)鐘模塊的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并進(jìn)行時(shí)鐘和補(bǔ)光參數(shù)的數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)存儲(chǔ)的植物補(bǔ)光參數(shù)(如：光照強(qiáng)度和補(bǔ)光時(shí)間)向補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令和補(bǔ)光調(diào)控參數(shù)。

圖5 補(bǔ)光總控中心主程序流程圖

3.2 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要包括BH1750FVI的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、USART驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、A/D驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和TLV5616的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，其主程序流程如圖6所示。補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程為：補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)開始工作后，STM32F103C8T6微控制器先對(duì)其內(nèi)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(jìn)行初始化；接著判斷是否收到補(bǔ)光總控中心指令和植物補(bǔ)光參數(shù)，如果接收到補(bǔ)光總控中心指令和植物補(bǔ)光參數(shù)，則進(jìn)行指令和植物補(bǔ)光參數(shù)的處理；如果沒有接收到補(bǔ)光總控中心指令和植物補(bǔ)光參數(shù)，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(nèi)的LED光源的光照強(qiáng)度，并判斷LED光源的光照強(qiáng)度是否在設(shè)置范圍內(nèi)，如果LED光源的光照強(qiáng)度不在設(shè)置范圍內(nèi)，則微控制器將控制D/A模塊和LED光源驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)LED光源的光照強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直至達(dá)到LED光源光照強(qiáng)度預(yù)設(shè)范圍的要求，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的光照時(shí)間參數(shù)調(diào)用光照時(shí)間控制函數(shù)對(duì)植物按時(shí)進(jìn)行補(bǔ)光。

圖6 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

4 系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)的功能，選擇紅光和藍(lán)光LED作為L(zhǎng)ED光源，將設(shè)計(jì)制作完成的LED補(bǔ)光調(diào)控電路按照?qǐng)D7建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路，然后采用優(yōu)利德數(shù)字式照度計(jì)UT382對(duì)補(bǔ)光調(diào)控電路的光照度參數(shù)調(diào)節(jié)情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到其部分參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖7 補(bǔ)光調(diào)控電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

表1 LED光源光照度測(cè)量結(jié)果表

測(cè)試結(jié)果表明，補(bǔ)光調(diào)控電路對(duì)LED光源的光照度參數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)精度較高、誤差較小，能夠滿足組培室植物補(bǔ)光的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以STM32微控制器作為控制核心，結(jié)合電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和測(cè)控技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種組培室植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)的組成原理和軟硬件設(shè)計(jì)方法，并對(duì)植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，可以在常規(guī)組培室根據(jù)需要對(duì)植物組培苗按時(shí)、按量進(jìn)行補(bǔ)光，相對(duì)于傳統(tǒng)組培室植物補(bǔ)光方式而言，達(dá)到節(jié)約能源的目的，減少育苗成本，為在組培室內(nèi)采用LED光源對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光提供一種參考。

但該植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)也存在不足的地方，比如：植物補(bǔ)光存在LED光源光照分布不均勻、不能對(duì)光質(zhì)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)控等問題，在今后的研究中，需要對(duì)植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)，以完善植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)的功能，并建立豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)選擇植物類型，就可以自適應(yīng)地完成對(duì)植物補(bǔ)光光環(huán)境的調(diào)控。