基于STM32的溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉偉光 石堅(jiān)

[摘? ? 要]為了有效增強(qiáng)我國溫室大棚的智能化管理效果，文章介紹了溫室智能化調(diào)控系統(tǒng)的國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀，并提出一款基于STM32F103系列芯片的溫室環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，主要收集室內(nèi)的溫濕度與光照強(qiáng)度信息進(jìn)行分析，通過LCD顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)圖標(biāo)呈現(xiàn)，并增加無線信息傳輸組件，有效地創(chuàng)建溫室的智能化環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]STM32;溫室大棚;智能控制

[中圖分類號]TP368.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–00–02

Design of Intelligent Control System for Greenhouse Based on STM32

Ye Wei-guang，Shi Jian

[Abstract]In order to effectively enhance the domestic intelligent management of greenhouse effect， this paper first introduces the greenhouse intelligent control system research and development situation at home and abroad， and puts forward an intelligent greenhouse environment control system based on STM32F103 series chips， the main indoor temperature and humidity and light intensity information were collected for analysis， through the LCD monitor data Standard presentation， and the addition of wireless information transmission components， effectively create a greenhouse intelligent environmental control system.

[Keywords]STM32; Greenhouse; Intelligent control

溫室環(huán)境的智能化控制研究是現(xiàn)代化溫室大棚的一個(gè)研究重點(diǎn)。提升智能化溫室大棚中植物的栽培效率與質(zhì)量是較為重要的研究內(nèi)容，通過對植物生長周期進(jìn)行分析，科學(xué)檢測溫室條件并進(jìn)行高效的規(guī)劃。現(xiàn)階段，國內(nèi)科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)研發(fā)出了多種可以改善作物生長效率，提高生產(chǎn)質(zhì)量的智能設(shè)備，并被廣泛的應(yīng)用在溫室大棚里，然而這些設(shè)備基本不具備智能調(diào)節(jié)能力，無法獲取大棚內(nèi)的具體情況，同樣也無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的效果，僅可以實(shí)現(xiàn)一些初步的功能目的。

1 溫室大棚智能化控制的國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀

在國外很多發(fā)達(dá)國家特別是在歐美，十分重視溫室栽培方面的研究，例如，美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)通過一些監(jiān)管設(shè)備對大棚內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控，并結(jié)合預(yù)期設(shè)定數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化效果。而這種智能化植物栽培技術(shù)僅是對室內(nèi)的單一因素進(jìn)行調(diào)控，也就是僅實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、氣體條件進(jìn)行管理。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室大棚栽培技術(shù)也得到了全新的改變，在美國，科學(xué)家們研制了一款能夠結(jié)合氣候管理、農(nóng)作物灌溉與施肥能力為一體的智能化溫室大棚管控系統(tǒng)，這系統(tǒng)能夠有效地結(jié)合各類農(nóng)作物的管理內(nèi)容，利用傳感器所接收的信號對系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)質(zhì)這一高效的方式對溫室內(nèi)農(nóng)作物的生長進(jìn)行管理。以色列通過計(jì)算機(jī)設(shè)備對溫度環(huán)境進(jìn)行管理，并建立科學(xué)的溫室構(gòu)造，配備優(yōu)質(zhì)的環(huán)境調(diào)節(jié)、天窗以及幕簾等，對溫濕度、光照效果、氣體環(huán)境進(jìn)行有效控制。并且將中的控制器與管理室內(nèi)的中央電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，提高溫室管理的便捷性，更精準(zhǔn)的對灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行控制，提升對于肥料與水資源的利用效果。加拿大的農(nóng)業(yè)利用計(jì)算機(jī)軟件來輔助溫室調(diào)節(jié)，收集農(nóng)作物去過程中的信息，并展開及時(shí)的處理研究，進(jìn)行針對性的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對于成本的控制，降低農(nóng)藥的投入，提升生產(chǎn)效益?？偠灾噍^于我國，國外對于自動(dòng)化溫室生產(chǎn)技術(shù)研究時(shí)間更早，已經(jīng)具備良好的發(fā)展效果。如今，科技水平逐漸提高，通過在溫室智能發(fā)展中運(yùn)用現(xiàn)代監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程管理等技術(shù)，能夠大幅度提升溫室控制系統(tǒng)的智能化效果。同時(shí)有眾多學(xué)者不斷提出各類新興的控制理念來優(yōu)化對溫室環(huán)境的管理效果。隨著科技的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的溫室智能化控制系統(tǒng)，已經(jīng)正式進(jìn)入了智能化、自動(dòng)化的發(fā)展時(shí)代。

國內(nèi)對于農(nóng)業(yè)的研究已經(jīng)有了極為悠久的歷史，早在兩千多年前，我國古代人就已經(jīng)開始研究一些農(nóng)作物與栽培技術(shù)。上個(gè)世紀(jì)30年代時(shí)，國內(nèi)北方就已經(jīng)在冬季時(shí)研究通過簡單的塑料大棚方式進(jìn)行農(nóng)作物種植，然而，這樣搭建的溫室環(huán)境，其中所構(gòu)建的條件難以支撐一些喜溫植物的正常生長。直到后來，國內(nèi)農(nóng)業(yè)科研人員開始在溫室管控的領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，探究如何能夠更好地控制溫室環(huán)境中的溫濕度、陽光等因素。在1982年，我國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院正式成立了，是國內(nèi)首個(gè)農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)研究部門，開始在溫室條件的管理工作當(dāng)中正式運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，從這時(shí)開始，國內(nèi)正式開始了對于溫室條件管理系統(tǒng)的研究與發(fā)展。到了90年代，國內(nèi)研究人員結(jié)合當(dāng)時(shí)的具體國情以及現(xiàn)有的溫室技術(shù)，展開對于符合國內(nèi)溫室條件管理系統(tǒng)的研發(fā)，由農(nóng)機(jī)化研究院開發(fā)出了當(dāng)時(shí)的全新溫室智能管理系統(tǒng)。到了21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速提升，我國的溫室智能調(diào)控技術(shù)又實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的提升。但是，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的控制系統(tǒng)通?；趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作，因此導(dǎo)致人機(jī)交互界面操作不夠人性化，未經(jīng)過專項(xiàng)培訓(xùn)的使用者無法靈活運(yùn)用，使得智能管理模式?jīng)]有得到有效運(yùn)用，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。從整體角度進(jìn)行分析，國內(nèi)溫室環(huán)境管理系統(tǒng)的智能化水平較發(fā)達(dá)國家而言還有一些落后，并與那些國際一線的溫室控制技術(shù)有著不小的距離。所以，有關(guān)研究人員應(yīng)當(dāng)積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，不斷結(jié)合國內(nèi)農(nóng)業(yè)的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，研發(fā)與國情相符的溫室智能調(diào)控系統(tǒng)，并將其有效的運(yùn)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展當(dāng)中。如今，在農(nóng)工業(yè)技術(shù)與科技技術(shù)不斷提升的背景下，溫室管理系統(tǒng)也逐漸向著智能化、自動(dòng)化、高性能、低成本的趨勢進(jìn)步。

溫室內(nèi)的溫濕度、光照、CO₂濃度等條件之間具有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，其中任意因子的改變，都會對剩余環(huán)境因素帶來干擾，因此，單因子的控制模式無法高效的對溫室內(nèi)環(huán)境條件進(jìn)行管理，因此，對于溫室環(huán)境控制系統(tǒng)管理模式應(yīng)當(dāng)從單因子管理模式向多因子控制模式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，有效提升對于溫室內(nèi)各項(xiàng)因素的均衡控制效果。但是，多因子控制模式雖然具有極大的運(yùn)用空間，但憑當(dāng)下的技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)多因子的控制效果^[1]。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，溫室管理系統(tǒng)的智能化水準(zhǔn)也在逐漸提升，從以往對于單項(xiàng)因素的收集分析，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷＜蚁到y(tǒng)的優(yōu)質(zhì)控制模式。因?yàn)闇厥覘l件的管理工作極為繁瑣，會涉及到眾多變量、強(qiáng)關(guān)聯(lián)性、干擾性以及非線性的繁瑣系統(tǒng)，很難建立與其相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，所以也就無法通過常見的管理方式進(jìn)行調(diào)控。在國外重視溫室研究的發(fā)達(dá)國家中，在智能溫室管理系統(tǒng)的研究中運(yùn)用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等高級算法，使得溫室環(huán)境的控制效果變得更加智能化。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，如今社會中的網(wǎng)絡(luò)化，信息化發(fā)展水平也在不斷提高。所以，結(jié)合時(shí)代的發(fā)展，在溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)中運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)也是一項(xiàng)必然的趨勢，在現(xiàn)代測控技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、WiFi技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，溫室條件管理系統(tǒng)也必然會朝著多因子、開放性以及全面性的趨勢進(jìn)步。

2 總體方案設(shè)計(jì)

文章所探究的溫室環(huán)境管理系統(tǒng)是基于STM32芯片進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)的，此芯片是整個(gè)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)^[2]。整體化框架內(nèi)主要包含了環(huán)境監(jiān)控管理模塊、WIFI模塊、自動(dòng)報(bào)警模塊等。溫室環(huán)境管理系統(tǒng)通過與各模塊中的智能芯片進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，并通過ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化交流效率，實(shí)現(xiàn)智能化溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的功能。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

通過現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)設(shè)備，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取溫室內(nèi)溫度、濕度、光照以及二氧化碳具體信息，通過對應(yīng)的智能控制設(shè)備展開分析，控制系統(tǒng)結(jié)合農(nóng)作物的生長需求，對溫室那的條件因素進(jìn)行調(diào)控^[3]。若是檢測模塊所獲取到的信息超出預(yù)設(shè)的調(diào)控范圍，那么需要對裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合具體的情況展開針對性修改。例如：在溫室環(huán)境中，可以利用溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)降溫的目的;利用加熱電阻實(shí)現(xiàn)對于溫室的增溫，通過灌溉設(shè)備為土壤補(bǔ)充濕度。直到溫室內(nèi)的環(huán)境條件符合預(yù)期設(shè)計(jì)范圍時(shí)，調(diào)控系統(tǒng)便會自動(dòng)停止工作。

4 軟件部分設(shè)計(jì)

4.1 軟件功能基本流程

文章所討論的這種基于STM32的溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)需要通過專業(yè)的編譯器進(jìn)行程序編碼，由編譯器完成編碼后，在上傳到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)程序的正常工作。溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)再利用配備的現(xiàn)代監(jiān)測工具來實(shí)時(shí)獲取溫室內(nèi)的環(huán)境條件數(shù)據(jù)。通過設(shè)計(jì)的程序軟件，可以實(shí)現(xiàn)各功能模塊之間的有效通訊。例如：溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)在收集到環(huán)境參數(shù)不滿足預(yù)期要求時(shí)，就會利用無線通訊技術(shù)，安排對應(yīng)的模塊進(jìn)行控制處理。每次在使用溫室環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)之前，需要對軟件程序進(jìn)行初始化操作，這樣操作是為了讓系統(tǒng)可以加載所配備的各類傳感器與功能性硬件設(shè)施。

4.2 wifi的遠(yuǎn)程控制操作

文章所提出的溫室環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，是通過WiFi技術(shù)進(jìn)行通訊，并利用Zig Bee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對信息交流效率進(jìn)行優(yōu)化，利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境信息采集與調(diào)控模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，優(yōu)化國內(nèi)溫室環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)的便捷性以及工作效率。將計(jì)算機(jī)設(shè)為管理系統(tǒng)當(dāng)中上位機(jī)，有關(guān)工作人員只需要在計(jì)算機(jī)上操作對應(yīng)的客戶端，就可以遠(yuǎn)程獲取到溫室當(dāng)中的實(shí)時(shí)圖像以及環(huán)境信息，并結(jié)合自身的目的，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控，利用溫室內(nèi)的控制模塊對溫室條件進(jìn)行調(diào)控，使得溫室智能調(diào)控系統(tǒng)具有更高的人性化特征。該智能管理系統(tǒng)利用系統(tǒng)增加端口的轉(zhuǎn)發(fā)性原則，有效地確定目標(biāo)IP地址。同時(shí)，利用路由器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)溫室系統(tǒng)與外網(wǎng)聯(lián)系，使得工作人員可以實(shí)現(xiàn)通過外網(wǎng)計(jì)算機(jī)對溫室內(nèi)的環(huán)境條件進(jìn)行管理，達(dá)成系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作的功能。

5 結(jié)束語

智慧型溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)研發(fā)對現(xiàn)代智能化、自動(dòng)化溫室管理的實(shí)際需求進(jìn)行了充分研究，并且針對性地使用了低功耗，高性能的STM32芯片。充分利用多種現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，并通過計(jì)算機(jī)分析是否滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)范圍，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的智能化、機(jī)械化控制效果，使得整個(gè)系統(tǒng)擁有良好的工作精度以及效率，在國內(nèi)智能科技的有效發(fā)展背景下，智能型溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)也會具有更廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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