低成本模塊化通用棚采集控制器設(shè)計(jì)

常永新 譚峰 徐帥 顏?zhàn)酉? 郭子棟 卞振宇

摘? 要：為大棚種植戶提供高質(zhì)量低成本的模塊化通用棚采集控制器，能解決市場上對(duì)大棚信息采集麻煩、設(shè)備復(fù)雜、操作麻煩等且需要大量進(jìn)口的需求難題。文章以STM32芯片為主控芯片，485溫濕度傳感器，土壤水分傳感器來檢測農(nóng)作物的生長狀況，通過繼電器輸出控制棚室的溫濕度。采用GMS通信，具有外接顯示屏，還可以遠(yuǎn)程通過手機(jī)讀取大棚的實(shí)時(shí)信息，讓大棚種植更加的智能化，本系統(tǒng)操作簡單，體積較小，可以外接多種485的傳感器，實(shí)現(xiàn)多種功能，具有待機(jī)和工作兩種狀態(tài)，耗電量小，提高種植戶的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：模塊化;STM32;傳感器;GMS通信;耗電量

中圖分類號(hào)：TP273.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）33-0026-03

Abstract： The modular general shed acquisition controller with high quality and low cost for greenhouse growers can solve the problem of difficult information collection， complex equipment， difficult operation and a large number of imports in the market. In this paper， STM32 chip is used as the main control chip， 485 temperature and humidity sensor， soil moisture sensor to detect the growth of crops， through the relay output to control the temperature and humidity of the shed. Using GMS communication， with external display screen， but also through the mobile phone to read the real-time information of the greenhouse， so that the greenhouse planting more intelligent， the system is simple to operate， small size， can be connected with a variety of sensors to achieve a variety of functions. It has two states of standby and work， low power consumption， and improves the production efficiency of growers.Keywords： modularization; STM32; sensor; GMS communication; power consumption

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代文明發(fā)展的需要，新型的設(shè)施農(nóng)業(yè)受到業(yè)界人士的追捧。其中，大棚在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有重大意義，它在提供反季節(jié)蔬菜、縮短農(nóng)作物生長周期，以及大幅度提高農(nóng)作物的成活率等方面起到了巨大作用。由于建造成本的因素，其中塑料大棚仍舊占據(jù)著主體地位，研究表明：大棚內(nèi)空氣濕度過大，不僅直接影響蔬菜的光合作用和對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收，而且還有利于病菌孢子的發(fā)芽和侵染。因此，要進(jìn)行通風(fēng)換氣，促進(jìn)棚內(nèi)高濕空氣與外界低濕空氣相交換，可以有效地降低棚內(nèi)的相對(duì)濕度。所以，在溫室大棚作物生產(chǎn)過程中，由于棚內(nèi)種植作物對(duì)環(huán)境的需求，實(shí)時(shí)采集棚內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤水分、土壤溫度等參數(shù)并利用通風(fēng)卷簾、微噴電磁閥、濕簾、風(fēng)機(jī)等控制棚內(nèi)溫濕度及二氧化碳濃度對(duì)提高現(xiàn)代棚室種植質(zhì)量具有重要意義。

而當(dāng)前棚室日常管理控制多數(shù)采用人工方式，人工管理模式不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人為調(diào)控溫室的溫度、濕度等環(huán)境因素會(huì)有很大的波動(dòng)幅度，輕者減少棚室的產(chǎn)量，重則造成絕收。少數(shù)政府主導(dǎo)的示范類項(xiàng)目采用棚室采集監(jiān)控系統(tǒng)，但由于當(dāng)前棚室類型眾多，不同棚室采集的環(huán)境參數(shù)和控制需求有所差異，導(dǎo)致現(xiàn)在關(guān)于棚室監(jiān)控系統(tǒng)多為針對(duì)某類型棚室專門開發(fā)，不具有可移植性，一般農(nóng)戶對(duì)棚室參數(shù)采集監(jiān)控設(shè)備雖然有需求，但由于價(jià)格偏高，使得農(nóng)戶難以接受，故當(dāng)前亟需開發(fā)一種低成本模塊化通用棚采集控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同棚的通用性和低成本性考慮，設(shè)計(jì)一款普通農(nóng)戶價(jià)格上可接受、操控容易的通用型大棚采集控制器，通過采集控制，從而使得作物生長的環(huán)境最優(yōu)，達(dá)到農(nóng)作物增產(chǎn)農(nóng)民增收的目的。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于STM32的模塊化通用棚采集控制器主要實(shí)現(xiàn)大棚室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，將大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、顯示等功能。根據(jù)傳回來的數(shù)據(jù)可以對(duì)大棚內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行智能控制，改變大棚內(nèi)部的環(huán)境，同時(shí)根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)用戶可以對(duì)大棚內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制，改變大棚內(nèi)部的溫濕度，提高作物的生長效率。

低成本的模塊化通用棚采集控制器主要由農(nóng)田信息采集模塊、GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊、光耦隔離模塊、繼電器控制模塊五部分組成，主要功能如圖1所示。

通過信息采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)將土壤濕度、棚內(nèi)溫度等信號(hào)經(jīng)傳感器采集到STM32，采集回的數(shù)據(jù)會(huì)顯示在LCD1602上供用戶實(shí)時(shí)讀取，同時(shí)智能控制繼電器打開關(guān)閉大棚窗口，同時(shí)將信息通過GMS模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示，讓農(nóng)戶可以遠(yuǎn)程操控。

2 單元電路設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32F103RC是一種高性能、低價(jià)格的處理芯片，用它作為系統(tǒng)的主控芯片，功能強(qiáng)大，外部設(shè)備配置豐富，適合實(shí)時(shí)多通道數(shù)據(jù)采樣與處理。本系統(tǒng)所用的STM32最小系統(tǒng)包括系統(tǒng)外部震蕩器，JTAG接口電路，電源電路，上電復(fù)位電路。

2.2 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用220V供電，通過變壓器連接到接線柱上，使用兩個(gè)LM7805將12V轉(zhuǎn)5V供電，使用TPS7333將5V轉(zhuǎn)3.3V為微控制器提供電源。在電源模塊輸入與輸出端添加濾波電容減小輸出與輸入電壓的波動(dòng)，輸入端加二極管作反接保護(hù)。

2.3 光耦隔離模塊

TLP521是廣泛運(yùn)用在測量儀器、家用電器中的可控制的光耦合器件，功耗150mW，隔離電壓為2500Vrms，可增強(qiáng)電路的安全性，減小電壓的干擾。通過該隔離芯片將STM32的I/O口與繼電器進(jìn)行隔離。

2.4 通訊模塊

RS-485接口最大傳輸距離可達(dá)3000米，在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)使其成為首選的串行接口。本系統(tǒng)將在大棚中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，環(huán)境中干擾因素較多，傳輸距離較遠(yuǎn)，外設(shè)較多，故采用485通訊，在核心板上設(shè)置了485芯片作為數(shù)據(jù)通訊的接口。

2.5 顯示模塊

本產(chǎn)品為了節(jié)約功耗故采用LCD1602作為顯示，雖然該模塊顯示內(nèi)容不豐富，但是對(duì)于大棚控制中的溫度濕度的簡單顯示已經(jīng)完全足夠了。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制器控制傳感器采集、處理、通過GMS發(fā)送到上位機(jī)、在LCD1602中顯示出來。圖3為系統(tǒng)主程序流程圖。

4 結(jié)論

低成本模塊化通用棚采集器實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚內(nèi)空氣溫濕度，土壤的溫濕度等信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、分析等功能，并且能智能調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境溫度，同時(shí)還可以被農(nóng)戶手動(dòng)改變。通過連續(xù)運(yùn)行，沒有出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)可以正確的采集。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)合理，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)過測試，數(shù)據(jù)采集正確，傳輸穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

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