關(guān)鍵詞：溫室；控制系統(tǒng)；智能控制；傳感器

0 引言

隨著生活水平的逐步提高，人們對(duì)蔬菜瓜果的需求越來(lái)越高，希望可選擇的范圍越廣越好。無(wú)論什么季節(jié)，都想將新鮮的蔬菜瓜果隨時(shí)買回家。智能溫室控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)自動(dòng)采集、分析后對(duì)各種溫室硬件設(shè)備進(jìn)行調(diào)控以創(chuàng)造出最適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物的精準(zhǔn)培育，也為種植一些對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求較為嚴(yán)格的農(nóng)作物打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1-4]。

本研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能溫室控制系統(tǒng)，對(duì)溫室內(nèi)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(fēng)向和風(fēng)速等環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，當(dāng)室內(nèi)溫度、土壤濕度的實(shí)測(cè)值達(dá)不到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，發(fā)出命令控制灌溉水泵、濕簾水泵、遮光簾和通風(fēng)側(cè)窗等溫室設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作以滿足作物生長(zhǎng)的環(huán)境要求[5]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本控制系統(tǒng)是針對(duì)灌溉水泵、通風(fēng)側(cè)窗、加濕簾、降溫風(fēng)扇和遮陽(yáng)網(wǎng)等設(shè)施齊全的已有溫室進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要包括環(huán)境感知模塊、下位機(jī)和上位機(jī)。環(huán)境感知模塊是利用各種傳感器檢測(cè)溫室內(nèi)、外的環(huán)境參數(shù)，為控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。主要有土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、室內(nèi)空氣溫度傳感器、室內(nèi)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(nèi)光照度傳感器、室外光照度傳感器、室外風(fēng)速傳感器及室外風(fēng)向傳感器[7]。

下位機(jī)以STM32F407ZGT6單片機(jī)為核心，包括數(shù)模轉(zhuǎn)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(jī)能夠?qū)Νh(huán)境感知模塊傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)RS232串口傳送給上位機(jī)，并且可接收上位機(jī)傳送的指令，發(fā)出執(zhí)行命令控制溫室的執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，以滿足溫室作物生長(zhǎng)的環(huán)境要求[8-9]。

調(diào)節(jié)溫室環(huán)境的執(zhí)行設(shè)備多，要實(shí)現(xiàn)智能控制，邏輯關(guān)系較為復(fù)雜，計(jì)算量較大，為了提高智能溫室控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行速度，將數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算、控制命令發(fā)出等功能放置在上位機(jī)中。上位機(jī)采用LabVIEW系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的接收、處理和存儲(chǔ)，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的上、下限閾值和邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出控制命令傳送給下位機(jī)[10-11]。利用LabVIEW圖形化優(yōu)勢(shì)，不僅對(duì)溫室的各個(gè)環(huán)境參數(shù)、執(zhí)行設(shè)備的控制按鈕進(jìn)行了直觀的圖形設(shè)計(jì)，而且針對(duì)溫室的執(zhí)行設(shè)備設(shè)計(jì)了視頻動(dòng)畫控件，如灌溉水泵、開(kāi)關(guān)窗、風(fēng)機(jī)和濕簾等，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的友好性。

2 環(huán)境感知模塊

智能溫室控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容是通過(guò)對(duì)影響溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)（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(fēng)向、室外風(fēng)速、大氣壓力等）的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制溫室內(nèi)執(zhí)行設(shè)備、自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的目的[12]。所以采用何種傳感器、保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)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(yōu)質(zhì)316L不銹鋼針制作，隔離設(shè)計(jì)，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(cè)量范圍0～100%，測(cè)量誤差<4%；土壤溫度測(cè)量范圍?40～80°C，測(cè)量誤差±0.4°C；輸出信號(hào)0～5V，測(cè)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(jìn)口芯片及電子元件，具有精度高、使用壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、可靠性高、受土壤含鹽量影響小、輸出信號(hào)穩(wěn)定及工作效率高等特點(diǎn)[14]。在確定了土壤溫濕度傳感器的型號(hào)后，選擇了北京世紀(jì)華翔工控科技中心的光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、大氣壓力傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境濕度傳感器。部分傳感器如圖1所示。

3 下位機(jī)

下位機(jī)采用一主多從的設(shè)計(jì)思路，主機(jī)、從機(jī)均采用24VDC電源供電，以STM32F407ZGT6芯片作為系統(tǒng)的主控芯片。主機(jī)、從機(jī)之間采用CAN總線通信，主機(jī)通過(guò)SPI總線連接顯示屏模塊實(shí)現(xiàn)信息匯總輸出與交互；從機(jī)設(shè)有8路數(shù)字量輸入及16路24VDC輸出，可以簡(jiǎn)單地單獨(dú)對(duì)溫室內(nèi)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制，也可與主機(jī)組網(wǎng)對(duì)溫室內(nèi)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制。

3.1 供電電路（主從）

電路設(shè)計(jì)方面采用了兩塊德州儀器有限公司研發(fā)的LM25085開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器，分別實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shí)，依然可以保持較高的效率，效率達(dá)到90%以上。同時(shí)，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(gè)開(kāi)關(guān)元器件不容易發(fā)熱，安全性大大提高[15]。

3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（從）

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的傳感器輸入的數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行采集及數(shù)據(jù)整理，并且通過(guò)通用串行接口向其他設(shè)備發(fā)送，達(dá)到“多合一”的目的。同時(shí)板載4路定時(shí)器捕獲接口，連接STM32的TIM外設(shè)，可以對(duì)外部的電信號(hào)進(jìn)行時(shí)間采樣。通過(guò)STM32內(nèi)部的編程，可以將外設(shè)接口封裝并且加上邏輯分析儀的功能，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步融合[16]。

核心采樣部件是亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)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(hào)。其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(shù)據(jù)采集解決方案，擁有1MΩ模擬輸入阻抗的輸入緩沖區(qū)和模擬輸入鉗位保護(hù)等優(yōu)勢(shì)。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(guò)外部電阻進(jìn)行編程，并且總線連接方便，可以使用3路串行總線對(duì)至少12路電磁閥輸出口進(jìn)行控制，與其他模塊結(jié)合較為方便。每一路電磁閥輸出口可以承載30A持續(xù)電流，符合市場(chǎng)上大部分中小型電磁閥類執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)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(yè)上常用的高速總線連接方式，具備通信速率高、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，是主機(jī)、從機(jī)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(dǎo)體有限公司研發(fā)的TJA1050芯片，內(nèi)置過(guò)溫、過(guò)流保護(hù)，可以提供1Mbps的高速CAN通信與對(duì)于最多110個(gè)線上外設(shè)進(jìn)行通信的優(yōu)異性能。走線上，為了減少高速通信中存在的共模信號(hào)雜波干擾，采用差分線進(jìn)行布置。CAN總線電路如圖5所示。

3.5 單片機(jī)及其周邊電路設(shè)計(jì)（主從）

為保證控制器的主控芯片擁有足夠多的引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的各種功能，在芯片型號(hào)上選擇了STM32F407ZGT6芯片作為主控芯片。這款芯片擁有通信接口數(shù)量多達(dá)15個(gè)，其中包括4個(gè)串口、3個(gè)I2C接口、2個(gè)CAN接口和3個(gè)SPI接口；而且它擁有具有中斷功能的I/O接口數(shù)多達(dá)140個(gè)。這些特點(diǎn)能夠充分滿足主控板的設(shè)計(jì)需求[17]。較之STM32F1/F2等Cortex-M3產(chǎn)品，STM32F4最大的優(yōu)勢(shì)，是硬件具有浮點(diǎn)單元（FPU）單精度，支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型以及DSP指令，同時(shí)，STM32F4是基于高性能ARMCortex-M432位RISC內(nèi)核，主頻高達(dá)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(wù)要求。

單片機(jī)的周邊電路包括復(fù)位電路、燒錄接口、晶振時(shí)鐘電路及穩(wěn)壓電容等。

4 上位機(jī)

上位機(jī)采用LabVIEW系統(tǒng)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有數(shù)據(jù)接收顯示、智能控制、手動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢等功能。

4.1 數(shù)據(jù)接收顯示子程序

數(shù)據(jù)接收顯示部分能夠通過(guò)USB口將下位機(jī)傳送的溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理并實(shí)時(shí)顯示在智能溫室控制系統(tǒng)主操作界面中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收是通過(guò)LabVIEW中的VISA功能對(duì)串口進(jìn)行配置、打開(kāi)、寫入和讀取來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在顯示實(shí)時(shí)數(shù)值的同時(shí)本設(shè)計(jì)還對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行了圖形化控件處理，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，圖形控件會(huì)動(dòng)態(tài)的進(jìn)行改變，增強(qiáng)了人機(jī)交互性。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢子程序

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的定時(shí)存儲(chǔ)和查詢。存儲(chǔ)內(nèi)容包括日期、時(shí)間、光照度、風(fēng)速、風(fēng)向、二氧化碳濃度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室外溫度、大氣壓力、土壤溫度和土壤濕度等。因?yàn)橹悄軠厥铱刂葡到y(tǒng)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大，所以利用LabVIEW中TDMS功能的相關(guān)API函數(shù)進(jìn)行對(duì)TDMS文件的讀寫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢。TDMS文件是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司主推的一種二進(jìn)制記錄文件，在存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)類型數(shù)據(jù)時(shí)讀寫速度更快，占用內(nèi)存不大，沒(méi)有容量限制，非常適合存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量龐大的測(cè)試數(shù)據(jù)。正常情況下還可以通過(guò)Excel打開(kāi)TDMS文件。TDMS內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心是segment，每個(gè)segment由6個(gè)不同的數(shù)據(jù)段組成，當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入時(shí)實(shí)際上是新建了一個(gè)segment，這種結(jié)構(gòu)是TDMS文件的隨機(jī)、高速存取特性的關(guān)鍵。

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間可通過(guò)“參數(shù)設(shè)置”功能里的“數(shù)據(jù)保存間隔時(shí)間”進(jìn)行修改。當(dāng)需要查詢歷史數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)輸入想要查詢數(shù)據(jù)的日期、時(shí)間和存儲(chǔ)路徑，能輕松實(shí)現(xiàn)查詢、打印功能，方便對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.3 參數(shù)設(shè)置子程序

參數(shù)設(shè)置功能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)（室內(nèi)溫度、土壤溫度）閾值和數(shù)據(jù)保存間隔時(shí)間進(jìn)行設(shè)定和修改，保證智能溫室控制系統(tǒng)中智能控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4.4 智能控制子程序

當(dāng)智能溫室控制系統(tǒng)主操作界面啟動(dòng)智能控制時(shí)，上位機(jī)軟件將運(yùn)行智能溫度控制和智能灌溉控制兩個(gè)子程序。依據(jù)接收到的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的上、下限閾值進(jìn)行邏輯判斷，發(fā)出相應(yīng)指令到下位機(jī)，由下位機(jī)控制溫室里的執(zhí)行設(shè)備完成啟/停操作，滿足溫室的環(huán)境要求?？刂浦噶畹陌l(fā)送也是通過(guò)LabVIEW中的VISA功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用了較多的視頻動(dòng)畫控件，如滴灌、濕簾、推拉側(cè)窗、風(fēng)機(jī)和濕簾開(kāi)窗等控件，這些控件的制作素材與大棚的實(shí)物相對(duì)應(yīng)，能更直觀地反映大棚的信息狀態(tài)。控件制作首先通過(guò)Photoshop對(duì)采集的視頻進(jìn)行g(shù)if格式處理，然后通過(guò)LabVIEW中的控件制作，將gif格式的動(dòng)畫與控制指令相對(duì)應(yīng)，當(dāng)控制指令發(fā)出后相對(duì)應(yīng)的控件會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)畫效果。動(dòng)畫控件如圖6所示。

4.4.1 智能溫度控制

（1）自然通風(fēng)系統(tǒng)。依據(jù)溫室內(nèi)的實(shí)測(cè)溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)推拉側(cè)窗實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，當(dāng)室溫達(dá)到溫度上限閾值時(shí)打開(kāi)側(cè)窗，室溫達(dá)到溫度下限閾值時(shí)關(guān)閉側(cè)窗。

（2）強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)自然通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，溫室內(nèi)的實(shí)測(cè)溫度仍升高，達(dá)到溫度極限閾值時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和濕簾水泵，并打開(kāi)濕簾窗。當(dāng)室溫達(dá)到溫度上限時(shí)，停止風(fēng)機(jī)和濕簾水泵，并關(guān)閉濕簾窗。

4.4.2 智能灌溉控制

當(dāng)土壤濕度實(shí)測(cè)值小于土壤濕度下限閾值時(shí)，開(kāi)啟灌溉泵和閥門。當(dāng)土壤濕度實(shí)測(cè)值大于土壤濕度上限閾值時(shí)，關(guān)閉灌溉泵和閥門。

4.5 手動(dòng)控制

為了增加智能溫室控制系統(tǒng)的可靠性，在主操作界面中設(shè)置了“手動(dòng)/自動(dòng)”控制按鈕，當(dāng)“自動(dòng)”啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行智能控制子程序，反之運(yùn)行手動(dòng)控制子程序。手動(dòng)控制子程序運(yùn)行時(shí)，將進(jìn)入手動(dòng)控制操作界面，界面上有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示區(qū)和執(zhí)行設(shè)備控制區(qū)。執(zhí)行設(shè)備控制區(qū)包括推拉側(cè)窗的開(kāi)/關(guān)按鈕、灌溉泵的啟/停按鈕、灌溉閥門的開(kāi)/關(guān)按鈕、風(fēng)機(jī)的開(kāi)/關(guān)按鈕、濕簾水泵的啟/停按鈕、濕簾窗戶的開(kāi)/關(guān)按鈕。操作者可以通過(guò)觀測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按動(dòng)相應(yīng)按鈕控制溫室內(nèi)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。這些指令的發(fā)出通過(guò)LabVIEW中的VISA功能發(fā)送到下位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)環(huán)境感知模塊、下位機(jī)和上位機(jī)分別進(jìn)行了單項(xiàng)測(cè)試和整體測(cè)試，主要包括傳感器信號(hào)的輸出、傳感器與單片機(jī)間的通信、單片機(jī)與繼電器之間的通信、上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信、上位機(jī)測(cè)量數(shù)值與執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)顯示及智能控制的邏輯判斷等。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和改進(jìn)，控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)目前應(yīng)用在吉林省扶余市蔡家溝鎮(zhèn)特種蔬菜溫室內(nèi)，在運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了溫室的智能化種植，具有實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、升級(jí)成本低等特點(diǎn)，達(dá)到了縮短作物生長(zhǎng)周期，提高作物產(chǎn)量的目的。