植物生長柜控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

田彥彥

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院機電工程學院，河南 鄭州 451100)

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植物生長柜控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

田彥彥

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院機電工程學院，河南 鄭州 451100)

摘要：設(shè)計了一種基于LED光源的植物生長模擬環(huán)境系統(tǒng).該植物生長柜控制系統(tǒng)主要由觸摸界面操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，兩者之間通過RS485模塊進行通訊.控制系統(tǒng)以ATmega128L單片機為主控核心，界面操作系統(tǒng)采用Cortex_M3為內(nèi)核的32位處理器STM32F103VC，并配置7寸TFT觸摸屏，利用μC/GUI編寫簡單的人機界面，實時監(jiān)控植物生長柜內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并且通過設(shè)定各種參數(shù)以模擬出植物的多種生態(tài)環(huán)境，有利于個性化地培養(yǎng)各種植物.

關(guān)鍵詞：植物生長柜；ATmega128L；傳感器；LED光源

進入21世紀，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，人們開始有了對安全無公害蔬菜的需求和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體驗的向往，“家庭植物工廠”概念應(yīng)運而生[1].本文依據(jù)目前植物工廠的發(fā)展趨勢，設(shè)計了一種適合在家庭領(lǐng)域應(yīng)用的小型植物工廠——植物生長柜.植物生長柜可以對植物生長所需的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境條件進行設(shè)定、調(diào)節(jié)和自動控制.該生長箱設(shè)置有植物培養(yǎng)系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，能夠模擬出適合植物生長的生態(tài)環(huán)境，從而創(chuàng)造出家庭植物工廠.該植物生長柜既可以滿足高性價比的需要，又可以滿足日常生活的需要，進而提高了人們的生活水平.

1植物生長柜的組成及設(shè)計方案

1.1植物生長柜的組成

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

針對植物柜生長系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，分模塊設(shè)計系統(tǒng)軟硬件.控制系統(tǒng)運用RS485[2]通訊技術(shù)使AVR單片機和Cortex_M3為內(nèi)核的32位處理器STM32F103VC處理器進行通訊，AVR單片機對植物生長所需的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境條件進行自動控制，使設(shè)施內(nèi)的植物生長不受自然條件的制約.STM32F103VC處理器作為上位機調(diào)節(jié)和設(shè)定光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

1.2植物生長柜設(shè)計原理

植物生長柜主要由觸摸彩屏和32位處理器STM32F103VC組成的上位機和由單片機、溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、LED和水泵等組成的下位機兩部分組成，兩者之間通過MAX485模塊進行通訊，從而實現(xiàn)植物生長柜為植物生長提供所需的最佳溫度、濕度、光照度和二氧化碳含量等必需生長條件.

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1電源模塊

本系統(tǒng)的電源共有AC220V、DC24V、DC6V和DC5V四種，輸入為AC220V.首先通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為DC24V給水泵和LED供電，再經(jīng)過開關(guān)電源芯片LM2576轉(zhuǎn)換為DC5V供給單片機和其他附件.LM2576可以提供3A的輸出電流，具體電源電路如圖2所示.

圖2　LM+2576系列開關(guān)穩(wěn)壓電路

2.2LED光源模塊

LED光源模塊采用中國科學院半導體研究所設(shè)計的LED光源板[2].該LED光源板由多個強光型的紅光和藍光LED組成，且以混合方式配置，所產(chǎn)生的紅光波長范圍為600～700nm，藍光波長范圍為400～500nm，滿足植物光合作用所需的光照條件.此外，該光源板可以通過串口對紅、藍光的光強進行控制，以便滿足不同植物對光照的需求.

對于責任的兩種不同含義的解讀，尤其是對實質(zhì)責任的強調(diào)，表明約納斯實際上擴展了一般意義上的責任觀。在比較了形式責任與實質(zhì)責任之后，約納斯指出，技術(shù)時代的道德事實，需要的正是這種實質(zhì)責任和責任感，而非每一行動者對其行為負責的空洞的形式責任。[34]在這個意義上，約納斯區(qū)分的實質(zhì)責任正是“未來責任”。

2.3界面操作系統(tǒng)

界面操作系統(tǒng)采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位處理器STM32F103VC.該處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，具有高性能、低功耗、成本低等優(yōu)勢.它的工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)SRAM)；具有豐富的增強I/O接口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)；包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN[3].

2.4傳感器模塊

為了給出不同時期植物生長所需的最佳環(huán)境參數(shù)，并生成合理的控制方案，該系統(tǒng)配置有溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器等，可以對溫度、濕度、CO2濃度進行采集，以便與植物生長所需要的最佳氣候條件進行比較分析，并為控制提供依據(jù).根據(jù)作物生長柜中植物生長需要采用SHT75溫濕度傳感器.這是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，它將溫度感測、濕度感測、信號轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上，輸出直接為數(shù)字信號[4].

2.5執(zhí)行系統(tǒng)模塊

執(zhí)行系統(tǒng)包括通風機、加熱器、制冷器、水泵等設(shè)備, 它是自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行者，用來實現(xiàn)對各環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié).單片機發(fā)出的控制信號與輸出電路的直流繼電器相連，繼而控制各種外部設(shè)備.

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主控控制系統(tǒng)程序設(shè)計和界面操作程序設(shè)計兩部分.

控制系統(tǒng)程序主要由單片機完成，其功能有環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、外部設(shè)備的控制以及數(shù)據(jù)的通信.它包括的功能模塊有：數(shù)據(jù)采集模塊、外設(shè)控制模塊及通訊模塊.

圖3　主控控制系統(tǒng)程序流程圖

(1)數(shù)據(jù)采集模塊：根據(jù)植物生長所需要的環(huán)境條件，需要采集的環(huán)境信息包括溫度、濕度、光照度和CO2濃度.溫濕度的采集由單片機的IO口直接與溫濕度傳感器SHT71的接口相連完成數(shù)據(jù)的采集[5]；CO2濃度的采集由單片機的ADC完成，把采集到的電壓值經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成濃度值.

(2)外設(shè)控制模塊：需要控制的外部設(shè)備主要有LED光源、通風機、加熱器、制冷器及水泵等，單片機發(fā)出的控制信號與輸出電路的直流繼電器相連，分別控制外設(shè)的運行，工作流程圖如圖3所示.

(3)通訊模塊：通訊模塊是利用RS485串口與界面操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的傳輸，以實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)與外設(shè)開關(guān)狀態(tài)的上傳，同時接收界面操作系統(tǒng)的控制信息，更新自身的控制狀態(tài).

3.2界面操作程序

界面操作程序所要完成的功能主要有人機交互操作界面的設(shè)計以及與主控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，人機交互界面通過μC/GUI編寫.μC/GUI是一種用于嵌入式應(yīng)用的圖形支持軟件.它被設(shè)計用于為任何一個使用圖形LCD的應(yīng)用提供一個有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口.它能工作于單任務(wù)或多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境、專用的操作系統(tǒng)或者任何商業(yè)的實時操作系統(tǒng).

人機交互界面采用菜單方式，具有環(huán)境參數(shù)顯示、模式選擇、參數(shù)設(shè)定等功能，其主界面如圖4所示，界面操作程序如圖5所示.

圖4　人機交互界面

圖5　界面操作程序流程圖

4系統(tǒng)功能調(diào)試

4.1系統(tǒng)硬件調(diào)試

系統(tǒng)硬件調(diào)試主要對已經(jīng)焊接好的電路進行調(diào)試，其調(diào)試對象有：系統(tǒng)電源調(diào)試，ATmega128L單片機的最小系統(tǒng)調(diào)試，以及系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊的基準電壓電路調(diào)試，當接通電源后測量基準電壓電路的輸出基準電壓值是否是穩(wěn)定的直流5V電壓；系統(tǒng)的負載增加后，觀察基準電壓輸出電壓的變化.測試結(jié)果是基準電壓輸出的電壓值不受負載的變化而改變，此外還要進行系統(tǒng)MAX485功能模塊調(diào)試.對于控制系統(tǒng)，如果能使RE與DE功能相聯(lián)系，則當通信成功以后，會自動上傳采集到的數(shù)據(jù).對于界面操作系統(tǒng)，則有選擇性地順序接收數(shù)據(jù).

4.2系統(tǒng)軟件調(diào)試

系統(tǒng)軟件調(diào)試主要對已經(jīng)調(diào)試好的電路進行軟件調(diào)試.如系統(tǒng)液晶顯示軟件調(diào)試是通過ICCAVR軟件編寫程序，根據(jù)液晶模塊的通信時序和控制寄存器編寫程序，把寫好的程序下載到單片機中，然后觀察液晶顯示屏上顯示的內(nèi)容與程序編寫的內(nèi)容是否一致，并根據(jù)屏幕上顯示的內(nèi)容對程序進行修改.此外還有MAX485模塊軟件調(diào)試、傳感器調(diào)試和模數(shù)轉(zhuǎn)換器軟件調(diào)試.最后進行聯(lián)機調(diào)試，根據(jù)通信的協(xié)議編寫程序，分別把單片機與ARM通過MAX-232進行連接，通過串口調(diào)試助手軟件進行調(diào)試.

5結(jié)論

隨著植物工廠在世界各國的廣泛發(fā)展及人們對生活質(zhì)量的關(guān)注越來越多，“家庭植物工廠”的發(fā)展也越來越快.本文設(shè)計的這套基于LED光源的植物生長環(huán)境模擬系統(tǒng)正是對此理念的一種實現(xiàn)，該系統(tǒng)設(shè)計簡單，成本、功耗相對較低，控制簡單可靠，較好地模擬出適合植物生長所需的生態(tài)環(huán)境，可以對未來家庭植物工廠的發(fā)展起到一定的推動作用.經(jīng)過試驗驗證，該系統(tǒng)運行正常、可靠，達到了設(shè)計要求.

參考文獻：

[1]張成波,楊其長.植物工廠研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].華中農(nóng)業(yè)大學學報，2004,(z2):34-37.

[2]楊其長.LED在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國科技財富, 2011,(1):52-57.

[3]張舞杰,南亦民.基于STM32F103VB的應(yīng)用編程技術(shù)的實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用,2009,(10):2820-2822.

[4]陳樹成,楊志勇,王科.基于MG811探頭的二氧化碳采集系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014,(1):47-50.

[5]于華麗,趙曉順,劉淑霞,等.傳感器SHT71在溫濕環(huán)境檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機化研究,2008,(5):151-153.

(責任編校：晴川)

Study and Design of Control System for Plant Growth Cabinet

TIAN Yanyan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou College of Technology and Industrial Application,Zhengzhou Henan 451100, China)

Abstract：This paper designs a simulation environment system for the plant growth based on LED light source. The control system of crop growth cabinet is mainly composed of the touch screen interface system and control system, which communicate with each other through the RS485 module. The control core of the control system is ATmega128L single chip microcomputer, and the interface operating system uses 32-bit processor STM32F103VCwith Cortex_M3 as the kernel. The control system configures 7 inch TFT touch screen, uses μC/GUI to write simple man-machine interface, realizes real-time monitoring of plant growth environmental parameters in the cabinet, and simulates a variety of ecological environments of the plant by setting various parameters. So it is beneficial for the customized cultivation of all kinds of plants.

Key Words：plant growth cabinet; ATmega128L; sensor; LED light source

中圖分類號:TP29

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0067-03

作者簡介：田彥彥(1987— )，女，河南駐馬店人，鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院機電工程學院教師，碩士.研究方向：智能控制與檢測技術(shù).

收稿日期：2016-03-06