基于STM32的精準(zhǔn)定位卷簾機(jī)控制器開發(fā)與研究

張曉霞

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水,741001）

0 引言

近幾年隨著國家一帶一路政策的實(shí)行，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了政府的高度重視，河西一帶等多個(gè)地區(qū)的眾多農(nóng)業(yè)園區(qū)已在政府的大力扶持下初見規(guī)模。各個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)大棚數(shù)量迅速增長，也相應(yīng)的刺激著卷簾機(jī)市場需求不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)有的普通卷簾機(jī)控制器安裝需要布設(shè)繁瑣的電線電纜以及很多的機(jī)械限位開關(guān)，這些限位開關(guān)不僅自身具有一定的缺陷，而且還破壞了整體結(jié)構(gòu)，給以后的維護(hù)增加了很大的一部分成本。如果機(jī)械開關(guān)一旦失效，整個(gè)卷簾就會(huì)從棚頂?shù)舻礁邏Φ暮竺?，造成損失。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)的開發(fā)，農(nóng)業(yè)在今后的發(fā)展也對自動(dòng)化的提出了更高的要求[1]。目前大規(guī)模的農(nóng)業(yè)溫棚環(huán)境中使用了自動(dòng)控制技術(shù)，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但我國大部分地區(qū)還是分散實(shí)施溫棚種植。由于各片區(qū)大棚建設(shè)不夠規(guī)范?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)成本高，并且很難實(shí)自動(dòng)化管理。本文在通過實(shí)地考察西北河西地區(qū)農(nóng)業(yè)園區(qū)各類型溫棚，分析現(xiàn)有溫棚卷簾、澆灌等技術(shù)存在的問題，借鑒大規(guī)模溫棚控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，提出一套能滿足中小規(guī)模溫棚智能控制系統(tǒng)，徹底解決中小規(guī)模溫棚種植發(fā)展中的系列問題。

1 研究現(xiàn)狀

目前，我國在溫室自動(dòng)控制控制技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用方面的總體水平還不是很高。近年來，中央政府對“三農(nóng)”問題越來越重視，對我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和自動(dòng)化控制提出了更高、更強(qiáng)的要求。我國研制生產(chǎn)的溫室控制產(chǎn)品在質(zhì)量和性能方面與發(fā)達(dá)國家仍有較大差距，但差距正在縮短。國內(nèi)研制的溫棚控制系統(tǒng)存在功能較少、成本較高、普通農(nóng)戶操作難度大等問題。

西方國家為了獲得更大的效益和競爭農(nóng)產(chǎn)品的世界市場份額，大幅增加對農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的投資，使微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中得到了廣泛的應(yīng)用，溫棚通過計(jì)算機(jī)達(dá)到了自動(dòng)控制和管理，擺脫了人工栽培在自然條件下非實(shí)時(shí)、夜間無人看管等局限性[2]。

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，目前在大規(guī)模的農(nóng)業(yè)溫棚環(huán)境中使用了自動(dòng)控制技術(shù)，取得了一定的成效，但我國大部分地區(qū)還是分散實(shí)施溫棚種植，尤其在西部，都是以村為單位集中種植，現(xiàn)有的智能控制系統(tǒng)單套價(jià)格均在萬元以上，其成本高，采用了多模塊集成技術(shù)，性能不穩(wěn)定，不適用單個(gè)家庭或村級單位使用。

2 理論依據(jù)

日光溫室智能控制系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)采集后通過自動(dòng)決策和選擇控制參數(shù)，目標(biāo)是為農(nóng)作物提供最有利的生長環(huán)境。這是是一種交叉融合技術(shù)，跨越人工智能理論、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息技術(shù)、生物學(xué)和電子科學(xué)等學(xué)科，涵蓋了多種高科技前沿學(xué)科[3]，這對對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。因此本文旨在分析現(xiàn)有溫棚卷簾、澆灌、補(bǔ)光技等技術(shù)存在的問題，借鑒大規(guī)模溫棚控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，提出一套能滿足中小規(guī)模溫棚智能控制系統(tǒng)，徹底解決中小規(guī)模日光溫室農(nóng)作物種植發(fā)展中的系列問題。

3 總體設(shè)計(jì)

基于STM32的精準(zhǔn)定位卷簾機(jī)控制系統(tǒng)以STM32F103 C8T6微控制器為主控芯片，結(jié)構(gòu)由七部分組成如溫度采集模塊、濕度采集模塊、光照強(qiáng)度采集模塊、鍵盤輸入模塊、數(shù)碼顯示模塊、自動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊、遠(yuǎn)程控制模塊；采用分散采集和集中數(shù)據(jù)處理的方式達(dá)到自動(dòng)控制，并具有遠(yuǎn)程控制和手動(dòng)控制模式功能。設(shè)施農(nóng)業(yè)日光溫室大數(shù)據(jù)分析涉及到近三年日光溫室農(nóng)作物種植季節(jié)分布情況、農(nóng)作物生長環(huán)境基本指標(biāo)分析、設(shè)施農(nóng)業(yè)中小規(guī)模型種植現(xiàn)有技術(shù)情況等，硬件部分涉及到各種傳感器的應(yīng)用技術(shù)（濕度檢測、溫度檢測、光照檢測）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、核心控制電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、數(shù)碼顯示技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，軟件部分涉及到大數(shù)據(jù)理論分析的驗(yàn)證、主控器的程序設(shè)計(jì)、采樣器的邏輯設(shè)計(jì)等。日光溫室智能控制系統(tǒng)能夠檢測和采集各種環(huán)境參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給主控制器。主控制器對接收到的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理之后可以對各執(zhí)行單元進(jìn)行控制。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，軟件開發(fā)均采用C語言，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。主要程序模塊包括系統(tǒng)監(jiān)控程序、時(shí)鐘模塊控制程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、系統(tǒng)顯示模塊程序等[4]。

本文在詳細(xì)了解國內(nèi)外溫室控制技術(shù)發(fā)展趨勢和前沿技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了溫室卷簾、澆水、補(bǔ)光技術(shù)存在的問題，設(shè)計(jì)了一套新穎可靠的控制方案，細(xì)化到每個(gè)具體的技術(shù)細(xì)節(jié)。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于STM32的精準(zhǔn)定位卷簾機(jī)控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)框圖

基于STM32的精準(zhǔn)定位卷簾機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括采樣器電路及主控制器電路。主控制器完成與采樣器之間的通信，采樣器對溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照等信號進(jìn)行檢測，并將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給主控制器。根據(jù)主控芯片的處理結(jié)果，主控芯片可以對溫室的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制。主控制器外圍設(shè)備包括顯示模塊、鍵盤、水泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、系統(tǒng)故障報(bào)警蜂鳴器[5]。主控制器和采樣器的外部驅(qū)動(dòng)控制由繼電器完成。繼電器驅(qū)動(dòng)電路采用集電極開路的晶體管驅(qū)動(dòng)電路，由繼電器的通、斷控制外置電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，可以從過程通道、供電系統(tǒng)和印刷電路板等硬件方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)[6]。其中外置電機(jī)啟動(dòng)為電流自動(dòng)調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)方式。這種啟動(dòng)方式克服了傳統(tǒng)的簡單延時(shí)加速控制可能出現(xiàn)的較大啟動(dòng)沖擊電流和強(qiáng)烈的反沖震動(dòng)，它能自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)電流至接近配置的工作電流，電機(jī)啟動(dòng)迅速而無強(qiáng)烈的反沖震動(dòng)；電機(jī)制動(dòng)為電流自動(dòng)調(diào)節(jié)的能耗制動(dòng)方式。此能耗制動(dòng)方式非傳統(tǒng)簡單地將剎車電阻并在電機(jī)電源線上或?qū)﹄姍C(jī)電源線直接短接，而是由 MOS 管產(chǎn)生恒定的制動(dòng)電流，可將電機(jī)的動(dòng)能迅速地釋放到能量消耗器件上，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)制動(dòng)而無強(qiáng)烈的沖擊震動(dòng)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制器系統(tǒng)采用C語言作為程序設(shè)計(jì)語言。用Kei1C51軟件編寫了主控制器和采樣器的程序。系統(tǒng)的各功能分別編寫功能函數(shù)程序，便于調(diào)試。系統(tǒng)終端的控制方式有兩種：通過定時(shí)方式進(jìn)行人工控制和遙控器控制。采樣器程序流程圖如圖2所示。

圖2 采樣器程序流程圖

部分控制程序如下：

3.3 主要實(shí)現(xiàn)功能

一是要求系統(tǒng)響應(yīng)快，工作可靠性強(qiáng)。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，所有元器件采用防水、防銹、防輻射器件，能夠保證溫棚中培育作物的安全，溫室的控制應(yīng)嚴(yán)格按照溫室中作物階段性的生長規(guī)律進(jìn)行，在每個(gè)階段都要確保室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度和光照指數(shù)滿足要求；二是考慮農(nóng)戶使用，盡可能減少系統(tǒng)成本，使該控制系統(tǒng)在保證良好的社會(huì)效益的前提下盡可能達(dá)到增產(chǎn)降耗，使之成為讓廣大農(nóng)戶用得起、用的放心的一個(gè)系統(tǒng)[7]；三是測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，確?？刂祈憫?yīng)同步進(jìn)行。智能控制系統(tǒng)采用了多種傳感器，設(shè)置在不同地方，所有數(shù)據(jù)全部傳入主控制器，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，對數(shù)據(jù)的采集、處理、反饋等技術(shù)要求較高，做到控制響應(yīng)同步化。四是編程簡單化，遠(yuǎn)程控制能實(shí)現(xiàn)1-N控制模式。智能控制系統(tǒng)在軟件程序編寫時(shí)，考慮的穩(wěn)定性等要求，要求反復(fù)試驗(yàn)，選取最佳程序運(yùn)行。遠(yuǎn)程控制不但能實(shí)現(xiàn)一座溫棚的控制，同時(shí)能夠滿足冷涼灌區(qū)多座溫棚的控制[8]。

4 結(jié)論

本文針對在農(nóng)村溫室種植中主要存在四個(gè)問題提出了解決方案和技術(shù)研究。一是溫棚種植者多為中老年人和婦女，其體力缺乏、無設(shè)備操作技術(shù)；二是現(xiàn)有大部分溫室均采用的機(jī)械卷簾模式，需要農(nóng)民到每個(gè)溫室進(jìn)行操作；三是部分農(nóng)業(yè)園區(qū)引進(jìn)了自動(dòng)卷簾技術(shù)，但還是需要操作人員實(shí)地操作；四是冷涼灌區(qū)氣溫很不穩(wěn)定，寒流、沙塵天氣頻繁出現(xiàn)，農(nóng)戶多數(shù)采用蜂窩煤補(bǔ)充溫度，對農(nóng)作物生長極為不利[9]。針對以上四個(gè)問題，本文研究的智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于冷涼灌區(qū)日光溫室后，能解決現(xiàn)有智能控制器功能單一、成本高昂、不穩(wěn)定、操作復(fù)雜等問題；能解決現(xiàn)有的單一控制方式，將實(shí)現(xiàn)1-N控制模式，即無需操作人員到每個(gè)溫室進(jìn)行操作，就可以實(shí)時(shí)查看多個(gè)溫室的動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)一人對多個(gè)溫室的自動(dòng)控制，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，解放了勞動(dòng)力；能解決自動(dòng)灌溉問題和自動(dòng)補(bǔ)光升溫問題，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用水并減少化肥及農(nóng)藥的用量，從而降低了農(nóng)產(chǎn)品的成本，顯著提高農(nóng)戶的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，特別適合現(xiàn)有溫棚種植農(nóng)戶[10]。

（1）溫度控制:溫室內(nèi)的溫度是采用溫度傳感器進(jìn)行檢測的。當(dāng)溫度過高時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)卷簾進(jìn)行降溫;當(dāng)溫度過低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放簾，達(dá)到升溫的目的。

（2）濕度控制：通過濕度傳感器檢測土壤的濕度，當(dāng)濕度過高時(shí)對溫室進(jìn)行通風(fēng)功能并停止灌溉；當(dāng)濕度太低時(shí)，驅(qū)動(dòng)澆灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按需灌溉功能，在保證農(nóng)作物正常生長情況下，實(shí)現(xiàn)節(jié)水。

（3）夜間補(bǔ)光控制：在夜間溫棚光照度很低，為增強(qiáng)光照度可控制電光源對農(nóng)作物進(jìn)行補(bǔ)光；在白天如果光照度太強(qiáng)可打開遮陽網(wǎng)，以減小光照強(qiáng)度。