自動(dòng)覆膜控溫移動(dòng)苗床控制器的設(shè)計(jì)

高一川+吳澤鑫+萬勇+王銳

摘要：隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)育苗技術(shù)逐漸向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。針對(duì)具有電動(dòng)覆膜和加熱功能的新型移動(dòng)苗床，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式和傳感技術(shù)而開發(fā)的移動(dòng)苗床控制器?？刂破魍ㄟ^感知苗床內(nèi)的溫度、濕度，適時(shí)自動(dòng)控制收、卷覆膜和加溫裝置，從而使苗床內(nèi)“小環(huán)境”適宜種苗生長。控制器對(duì)移動(dòng)苗床精準(zhǔn)化、個(gè)性化的控制，能夠達(dá)到解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)苗床；覆膜；控溫；控制器

中圖分類號(hào)：S237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）23-6250-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.062

Abstract： With the constant development of agricultural modernization， traditional agricultural breeding technology gradually developed toward automation and intelligence. We designed a mobile seedbed controller based on embedded and sensor technology focused on new mobile seedbed with electric covered and heating function. Seedbed controlling by sensing the temperature and humidity， automatically control the rolling， covering and heating device in time， make sure the “inner environment” within seedbed is suitable for seedling growth. Intelligent controller with its accurate and personalized control for mobile seedbed， in order to achieve the liberation of labor， improvement of production efficiency， as well as energy saving purposes.

Key words：mobile seedbed；plastic film rolling-covering；temperature control；controller

設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的顯著標(biāo)志，促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要任務(wù)。移動(dòng)式苗床以其較高的操作便利性和空間利用率，廣泛應(yīng)用于連棟溫室中進(jìn)行高效益經(jīng)濟(jì)作物種植、種苗培育等[1]。在冬季、早春等低溫時(shí)節(jié)的育苗作業(yè)中，需要利用溫室加熱系統(tǒng)對(duì)整個(gè)溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行加溫，能耗大、運(yùn)行成本高[2，3]；同時(shí)還要在苗床上搭蓋塑料薄膜來增加苗床的蓄熱、保濕能力，工作量大、效率低下。為解決上述問題，王銳等[4]針對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)苗床結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型拱棚式自動(dòng)卷覆膜機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)苗床上塑料薄膜的自動(dòng)卷收和覆蓋功能。在此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，如何實(shí)現(xiàn)苗床“小環(huán)境”的精準(zhǔn)、自動(dòng)、柔性化控制，是一個(gè)尚未解決的問題。國內(nèi)外針對(duì)此問題的研究還處于空白，并且沒有類似的控制設(shè)備可以直接使用。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)苗床控制器，通過設(shè)置目標(biāo)溫度的方式，可以自動(dòng)控制收、卷覆膜和電熱膜加溫，從而實(shí)現(xiàn)苗床“小環(huán)境”的個(gè)性化、精準(zhǔn)化控制。每個(gè)苗床配備獨(dú)立的控制器能夠針對(duì)不同種苗的農(nóng)藝要求提供個(gè)性化地控制，為工廠化育苗在同一溫室內(nèi)集群管理和柔性化生產(chǎn)提供了便利。

1 設(shè)計(jì)原理

新型移動(dòng)苗床自帶拱棚式自動(dòng)卷覆膜機(jī)[4]和苗床底層紅外線電熱膜，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

卷覆膜機(jī)的卷管安裝在支架頂面中間處，卷管端部空腔中插入管狀電機(jī)，其輸出軸與卷管固定連接，通過管狀電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)塑料薄膜的卷收或覆蓋。管裝電機(jī)工作電壓交流220 V，由三根電源信號(hào)控制，正轉(zhuǎn)V1、公共端GND、反轉(zhuǎn)V2。

苗床底部鋪蓋電熱膜用于給苗床小空間整體加熱，本設(shè)計(jì)選用遠(yuǎn)紅外線電熱膜[5]，工作電壓交流220 V、電流20 A，最高加熱溫度可達(dá)50 ℃。

影響育苗生長的環(huán)境因子包括營養(yǎng)、空氣、光照、濕度和溫度等，其中溫度、濕度又是比較關(guān)鍵的指標(biāo)，因此選擇溫度和濕度作為整個(gè)控制系統(tǒng)的輸入量。而控制系統(tǒng)的調(diào)控設(shè)備是電熱膜、卷覆膜管狀電機(jī)。由于電熱膜是交流電加熱而且功率比較大，不宜直接控制，本設(shè)計(jì)采用光電開關(guān)間接控制繼電器通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其通斷的控制。管狀電機(jī)是由220 V交流電控制，當(dāng)正轉(zhuǎn)V1和公共端GND通電時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)收覆膜操作；當(dāng)反轉(zhuǎn)V2和公共端GND通電時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)卷覆膜操作。因此，控制器的原理是通過3個(gè)獨(dú)立的光電開關(guān)、繼電器協(xié)同合作來間接控制覆膜、加熱設(shè)備的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)苗床小環(huán)境的控溫控濕。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

苗床控制器可以自動(dòng)采集安裝在苗床內(nèi)的溫度、濕度傳感器的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測(cè)量反饋值自動(dòng)控制電熱膜加熱、卷覆膜機(jī)收攏或展開，或者通過外部按鍵觸發(fā)動(dòng)作。同時(shí)通過顯示屏直觀顯示苗床設(shè)備及內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)信息。

苗床控制器以ARM 32位微處理器為核心，采用的是STM32F103系列64腳的微處理器芯片，具有成本低，功耗小，性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。微處理器主要負(fù)責(zé)控制卷覆膜繼電器和電熱膜繼電器動(dòng)作，采集溫度、濕度傳感器信號(hào)，控制RS485級(jí)聯(lián)通信、LED顯示接口通信、處理外部按鍵接口等?？刂破髟斫Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 控制驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

卷膜管狀電機(jī)和電熱膜工作電流比較大，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路控制其動(dòng)作?？刂乞?qū)動(dòng)電路可分為低壓控制電路和高壓工作電路兩部分。低壓控制電路包括微處理器控制IO口、光電耦合器、MOS開關(guān)管、電磁繼電器線圈、以及保護(hù)電路；高壓工作電路包括AC電源、電磁繼電器常開觸點(diǎn)、受控電機(jī)或加熱器。繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

當(dāng)微處理器IO口輸出高電平時(shí)，觸發(fā)發(fā)光二極管導(dǎo)通，光敏元件受到光照后，光敏三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)NMOS開關(guān)管導(dǎo)通，觸發(fā)繼電器線圈回路導(dǎo)通，繼電器電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，觸使繼電器敞開觸點(diǎn)閉合，高壓電路回路導(dǎo)通，管狀電機(jī)或加熱器開始工作。同理，當(dāng)微處理器IO口輸出低電平時(shí)，管狀電機(jī)或加熱器停止工作。

電熱膜加熱器只需設(shè)計(jì)一個(gè)回路繼電器驅(qū)動(dòng)單元即可。然而針對(duì)管狀電機(jī)的正反轉(zhuǎn)啟?？刂?，本控制器設(shè)計(jì)了兩個(gè)回路繼電器驅(qū)動(dòng)電路，通過兩路IO口按一定邏輯控制其通斷，組合完成對(duì)管狀電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止3個(gè)狀態(tài)的控制。此設(shè)計(jì)有效地避免了IO口狀態(tài)異常所導(dǎo)致的管狀電機(jī)誤動(dòng)作，從而避免了設(shè)備的損壞。管狀電機(jī)狀態(tài)控制邏輯如表1所示。

2.2 傳感數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

采集苗床小環(huán)境內(nèi)溫度信息用的是DS18B20，它是一種數(shù)字式溫度傳感器，具有接線方便、耐磨耐碰、體積小、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于各種狹小空間測(cè)溫和控制領(lǐng)域。由于其直接輸出數(shù)字信號(hào)，可以直接與微處理器的IO口相連接，按特定協(xié)議讀取溫度數(shù)據(jù)。

采集苗床小環(huán)境內(nèi)濕度信息用的是濕度傳感器HM1500LF，它是一種電容式線性電壓輸出濕度模塊，具有高可靠性和長時(shí)間穩(wěn)定性，在5 V直流供電時(shí)，0～100%相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)輸出1.0～3.6 V DC線性電壓，溫度依賴性非常低。由于HM1500LF輸出的是模擬信號(hào)，因此需要通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用的是18位A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3424，它具有低噪音、高精度，自動(dòng)對(duì)失調(diào)和增益誤差進(jìn)行校正，分辨率可調(diào)，提供2種轉(zhuǎn)換模式等特點(diǎn)，濕度傳感數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

濕度傳感器輸出的模擬信號(hào)直接連接至MCP3424采樣輸入口，微處理器再通過IIC總線與其建立通信，通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取。電阻R1和R2是上拉電阻，加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)用阻抗匹配抑制反射干擾。電容C1用來儲(chǔ)能和旁路，由于線路的耗能不穩(wěn)定，當(dāng)耗電突然增大時(shí)如果沒有電容，電源電壓會(huì)被拉低，影響芯片正常工作，這個(gè)時(shí)候電容將暫時(shí)儲(chǔ)存的電能釋放出來，穩(wěn)定電源電壓；此外電路中的電流很多時(shí)候有脈動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一些交流噪聲，電容可以把這種噪聲旁路到地，提高芯片電源供應(yīng)穩(wěn)定性。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器主程序采用前后臺(tái)運(yùn)行模式，外設(shè)初始化之后進(jìn)入程序主循環(huán)，循環(huán)里不斷查詢各個(gè)中斷標(biāo)志位是否置1，如果置1則執(zhí)行相應(yīng)的中斷事件處理子程序。中斷程序由外部或內(nèi)部事件通過中斷形式觸發(fā)執(zhí)行，并把相應(yīng)的標(biāo)志位置1。

控制器外部中斷處理事件有定時(shí)檢測(cè)與控制、外部按鍵、通信命令等?？刂破髅扛?0 s采集一次溫度、濕度信息，校正出來的實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，然后按一定的算法控制電熱膜和卷覆膜動(dòng)作，使苗床小環(huán)境指標(biāo)符合要求。外部按鍵主要是處理人為手動(dòng)設(shè)定溫度、濕度值，然后存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中。控制器留有RS-485外部通信接口，方便設(shè)備掛接到總線系統(tǒng)中。當(dāng)接收到外部數(shù)據(jù)包時(shí)，控制器解析協(xié)議，然后按命令執(zhí)行相關(guān)操作?？刂破髦鞒绦蛄鞒倘鐖D5所示。

鑒于育苗企業(yè)往往需要對(duì)規(guī)?；拿绱踩杭泄芾砗涂刂疲久绱部刂破黝A(yù)留了RS-485通信接口，多個(gè)苗床控制器組成的總線通信系統(tǒng)，可以掛接到中央控制室集中管理與監(jiān)控。苗床群集中管控如圖6所示。

4 小結(jié)

針對(duì)具有電動(dòng)覆膜和加熱功能的新型移動(dòng)苗床，本研究設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種移動(dòng)苗床控制器，通過硬件電路與嵌入式軟件的配合，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單個(gè)苗床的收、卷覆膜、加溫等操作，從而達(dá)到控溫、控濕，營造了一個(gè)適合幼苗生長的“小環(huán)境”。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，控制器對(duì)苗床的溫度控制誤差小于0.5 ℃，濕度測(cè)量誤差小于1%。

本研究設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)了苗床精準(zhǔn)化、個(gè)性化控制，同時(shí)提高了苗床自動(dòng)化控制管理水平，節(jié)省人力成本，節(jié)能降耗。后續(xù)研究將會(huì)針對(duì)全程自動(dòng)化育苗的控制策略、算法以及專家系統(tǒng)構(gòu)建來進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)育苗企業(yè)真正解放勞動(dòng)力，滿足市場(chǎng)多樣化、個(gè)性化的種苗產(chǎn)品需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戴有華，陳志明，劉永華，等.基于Solidworks的移動(dòng)苗床架設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國農(nóng)機(jī)化，2011（6）：91-94.

[2] 孫淑君.溫室加溫系統(tǒng)及存在問題[J].中國花卉園藝，2012（4）：48-49.

[3] 李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[4] 王 銳，廖 劍，萬 勇，等.移動(dòng)苗床用自動(dòng)卷覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015（1）：136-138.

[5] 鞏星花，成筱琴.遠(yuǎn)紅外線低溫輻射電熱膜地暖施工控制[J].山西建筑，2011，37（12）：137.