基于STM32單片機(jī)的大棚光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝謙，湯引生，董文豪

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化的不斷調(diào)整，大棚栽種憑借其搭建便捷、造價(jià)低、土地利用率高的特點(diǎn)，避免了作物受地域、氣候、自然環(huán)境等諸多因素的限制，讓它在實(shí)際中的應(yīng)用越來越廣泛，近年來在花卉幼苗培育、蔬菜瓜果種植等方面發(fā)揮著重要作用，為農(nóng)戶帶來了較高的效益。隨著人們需求的不斷加深，近年來慢慢出現(xiàn)了一系列的智能大棚，這無疑是傳統(tǒng)大棚種植的改革[1]。針對(duì)傳統(tǒng)大棚的這些智能化改進(jìn)，作物不僅增加了產(chǎn)量，提高了經(jīng)濟(jì)收益，而且管理上也更加科學(xué)、便捷，因此傳統(tǒng)意義上的大棚向智能化方向發(fā)展勢不可擋。

適宜的光照強(qiáng)度對(duì)作物的生長至關(guān)重要，直接影響作物光合作用的速率和效率?，F(xiàn)有的光照系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)將光照均勻分配給作物[2]，而且光照強(qiáng)度自動(dòng)控制模塊比較復(fù)雜[3]，在實(shí)際中可能難以實(shí)現(xiàn)，大部分都停留在理論研究階段，光照強(qiáng)度自動(dòng)控制技術(shù)的需求顯得尤為迫切[4]。

基于不同作物對(duì)光照強(qiáng)度的需求不同的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)成熟的傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等設(shè)計(jì)一個(gè)用于監(jiān)測并且對(duì)光照強(qiáng)度信息實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)闹悄苷{(diào)節(jié)系統(tǒng)，為智能大棚測控技術(shù)提供了一種新的理念方法[5]。

通過光照傳感器在監(jiān)測光照強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測信息的無線傳輸和對(duì)大棚光照強(qiáng)度的智能化控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測并控制光照強(qiáng)度處于光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)之間。當(dāng)光照強(qiáng)于光飽和點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)通過百葉窗控制電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，減小百葉窗角度進(jìn)行遮光處理，使光強(qiáng)度變?nèi)?；光照弱于光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)通過百葉窗控制電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，增大百葉窗角度，以便于增加光強(qiáng)度。如果百葉窗處于最大位置仍低于光補(bǔ)償點(diǎn)，單片機(jī)通過補(bǔ)光控制電路，打開日光燈進(jìn)行補(bǔ)光。

通過此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，讓植物接觸的光照始終處于光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)之間，既避免因光照過強(qiáng)對(duì)植物光合作用產(chǎn)生光抑制，又避免因光照過弱減緩植物生長周期，以此提高光合作用效率，達(dá)到提高植物光合作用速率的目的。

1 控制電路系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

控制電路系統(tǒng)是鋼架大棚光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，包括：MCU部分，光照傳感電路，補(bǔ)光控制部分，百葉窗控制部分，WIFI通信部分，OLED顯示部分等?？刂齐娐房傁到y(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。以光照傳感器采集光強(qiáng)度信息，通過RS485接口電路傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)由此按照預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行判斷，通過百葉窗控制電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，調(diào)節(jié)光照，或者通過補(bǔ)光控制電路打開補(bǔ)光開關(guān)進(jìn)行補(bǔ)光。該控制電路系統(tǒng)不僅可以有效控制光照強(qiáng)度，而且根據(jù)百葉窗自身的特點(diǎn)可以讓光照強(qiáng)度均勻分布，進(jìn)一步提高光照強(qiáng)度的控制效率[6]。

圖1 控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控電路原理圖

主控電路圖原理圖如圖2所示，以單片機(jī)STM32F103C8T6為核心，WIFI_RXD和WIFI_TXD用于和WIFI模塊通信。PA4-8用于OLED驅(qū)動(dòng)。MCU_RXD_485、MCU_TXD_485用于和光照傳感器通信，RX485_RXEN、MCU_RXD_485用于傳感器通信過程中數(shù)據(jù)傳輸方向控制[7]。LIGHT_CTL用于補(bǔ)光控制電路的開啟和關(guān)閉控制。PUL+、PUL-、DIR+、DIR-用于百葉窗控制電路 驅(qū)動(dòng)。

圖2 主控電路圖原理圖

1.2 Wi-Fi無線傳輸電路

如圖3所示，以ESP8266作為數(shù)據(jù)傳輸芯片，以MQTT為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，單片機(jī)通過串口控制ESP8266與onenet平臺(tái)建立連接[8]。

圖3 Wi-Fi無線傳輸電路

1.3 補(bǔ)光控制電路

補(bǔ)光控制電路如圖4所示，通過單片機(jī)LIGHT_CTL端口控制，輸出高低電平，控制一個(gè)繼電器的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)日光燈供電回路的接通和斷開。

圖4 補(bǔ)光控制電路

1.4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源電路

如圖5所示，5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源電路給單片機(jī)、Wi-Fi模塊、OLDE顯示屏、光照傳感器的RS485通信部分、補(bǔ)光電路的繼電器等供電。

圖5 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源電路

1.5 百葉窗控制電路

如圖6所示，百葉窗控制電路由MA860H兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和86BYG250H兩部分組成。單片機(jī)通過 PUL+，PUL-給MA860H發(fā)送脈沖信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)通過DIR+，DIR-的高低電平改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。步進(jìn)電機(jī)安裝在百葉窗上，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)百葉窗打開到指定角度。

圖6 百葉窗控制電路

1.6 光照傳感電路

如圖7所示，以SP3485芯片作為RS485數(shù)據(jù)收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)與JXBS-3001光照傳感器的數(shù)據(jù)通信。其中，SP3485數(shù)據(jù)收發(fā)芯片連接單片機(jī)串口和2個(gè)IO口，串口用于數(shù)據(jù)傳輸，2個(gè)IO口用于控制SP3485收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸方向。圖7中總線A、B為RS485總線采用雙絞線，理論通信距離可達(dá)1 200 m，使得JXBS-3001光照傳感器可以安裝在任意合適的位置，工程實(shí)用性較強(qiáng)。

圖7 光照傳感電路

2 OneNET設(shè)備云平臺(tái)

OneNET設(shè)備云平臺(tái)是目前開放程度最高，支持協(xié)議最多并且免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)開放云平臺(tái)，該平臺(tái)有著完備的智能硬件開發(fā)工具，能將多種終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和管理，而且還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列完整的數(shù)據(jù)交互。OneNET設(shè)備云平臺(tái)的接入?yún)f(xié)議包括EDP、MQTT、TCP透傳，主要是面向下位機(jī)通過傳輸控制協(xié)議與OneNET直連的終端[9-12]，OneNET將接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議解包存儲(chǔ)，并通過應(yīng)用程序接口發(fā)送給上位機(jī)也就是應(yīng)用層使用，應(yīng)用層也可以通過此路徑實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)終端的控制。本設(shè)計(jì)的APP模塊是基于傳輸層TCP協(xié)議創(chuàng)建的，OneNET平臺(tái)數(shù)據(jù)交互如圖8所示。

圖8 OneNET平臺(tái)數(shù)據(jù)交互圖

OneNET設(shè)備云平臺(tái)提供開放的HTTP/HTTPS API接口，可以使用API對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)查詢，設(shè)備命令交互等操作，依托API，可以根據(jù)自己的個(gè)性化需求制定搭建上層應(yīng)用。因此，上層應(yīng)用端手機(jī)APP可以實(shí)現(xiàn)如下功能，顯示數(shù)據(jù)包括顯示實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度、步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、光照閾值；設(shè)定光照閾值，控制光照強(qiáng)度；記錄歷史數(shù)據(jù)，包括記錄時(shí)光照強(qiáng)度變化趨勢和光照閾值設(shè)定歷史數(shù)據(jù)。如圖9所示為手機(jī)APP界面示意圖。

圖9 手機(jī)APP界面

2.1 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

基于TCP（傳輸控制協(xié)議）實(shí)現(xiàn)了STM32單片機(jī)與OneNET設(shè)備云平臺(tái)之間的信息交互，API（應(yīng)用程序接口）則實(shí)現(xiàn)了OneNET設(shè)備云平臺(tái)與手機(jī)APP之間的數(shù)據(jù)傳輸[13]。

OneNET平臺(tái)可提供全量數(shù)據(jù)和設(shè)備分組數(shù)據(jù)推送的功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)時(shí)推送；OneNET平臺(tái)可提供應(yīng)用平臺(tái)，通過API的方式與OneNET平臺(tái)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)調(diào)用讀取，或是下發(fā)命令操作[14]；OneNET平臺(tái)可支持通過創(chuàng)建觸發(fā)器的方式，實(shí)現(xiàn)當(dāng)滿足觸發(fā)條件后，實(shí)施向應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行消息通知的功能[15]。

2.2 手機(jī)APP系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

手機(jī)APP系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的控制功能是對(duì)光照閾值的控制，具體步驟：通過手機(jī)APP對(duì)光照閾值進(jìn)行設(shè)定，手機(jī)端通過API的方式與OneNET平臺(tái)進(jìn)行交互，OneNET平臺(tái)讀取手機(jī)端設(shè)定的光照閾值后，單片機(jī)作出相應(yīng)的動(dòng)作，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止轉(zhuǎn)動(dòng)打開補(bǔ)光電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度自動(dòng)控制的目的。

2.3 動(dòng)力傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力傳輸系統(tǒng)就是將步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)能通過傳送帶傳輸至百葉窗，通過圓盤控制百葉窗轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以此達(dá)到光照強(qiáng)度可控的目的。步進(jìn)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)360°百葉窗上的圓盤轉(zhuǎn) 5°。

由式(8)計(jì)算可知步進(jìn)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)360°百葉窗上的圓盤轉(zhuǎn)5°，即步進(jìn)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)盤與百葉窗上的圓盤半徑之比為1：72。如圖10為百葉窗動(dòng)力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10 動(dòng)力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)光照強(qiáng)度測試：當(dāng)光照強(qiáng)度低于光照閾值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)光照強(qiáng)度在光照閾值誤差范圍內(nèi)（±5%）時(shí)，步進(jìn)電機(jī)暫停轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)光照強(qiáng)度高于光照閾值并且不在誤差范圍內(nèi)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖11為近期測試光照強(qiáng)度的歷史記錄。設(shè)置測試光照強(qiáng)度監(jiān)測范圍為0～5 000 lx，通過百分制顯示光照強(qiáng)度大小，如表1所示。

圖11 光照強(qiáng)度測試結(jié)果

表1 系統(tǒng)光照強(qiáng)度

光照閾值為70%，即5 000 lx×70%=3 500 lx，監(jiān)測到大棚內(nèi)光照強(qiáng)度為17%，即5 000 lx×17%=850 lx，誤差大于5%，且光照強(qiáng)度低于光照閾值，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，并且每轉(zhuǎn)一圈監(jiān)測一次光照強(qiáng)度，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈百葉窗葉扇轉(zhuǎn)5°，透光面積增大，使得大棚內(nèi)光照增強(qiáng)，光照強(qiáng)度值從17%逐漸增加。當(dāng)監(jiān)測到大棚內(nèi)光照強(qiáng)度為71%，即3 550 lx，誤差為1%，在5%以內(nèi)，此時(shí)大棚內(nèi)光照強(qiáng)度接近光照閾值，步進(jìn)電機(jī)暫停轉(zhuǎn)動(dòng)，百葉窗葉扇暫停轉(zhuǎn)動(dòng)，光照傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚內(nèi)光照強(qiáng)度。當(dāng)監(jiān)測到大棚內(nèi)光照強(qiáng)度為81%，即4 050 lx，誤差大于5%，且光照強(qiáng)度高于光照閾值，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，并且每轉(zhuǎn)一圈監(jiān)測一次光照強(qiáng)度，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈百葉窗葉扇反轉(zhuǎn)5°，透光面積減小，使得大棚內(nèi)光照減弱，光照強(qiáng)度值從81%逐漸減小。

4 結(jié)論

本研究的試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果顯示，系統(tǒng)通過光照傳感器電路，實(shí)時(shí)讀取光照強(qiáng)度信息，通過內(nèi)置的判斷，由百葉窗控制電路驅(qū)動(dòng)百葉窗的開啟角度，或打開補(bǔ)光開關(guān)進(jìn)行補(bǔ)光，使得大棚光照強(qiáng)度在光照閾值范圍內(nèi)。相較傳統(tǒng)大棚不僅能達(dá)到控光照強(qiáng)度的目的，而且還可以讓光照在大棚中均勻分布，有利于農(nóng)作物生長。

光照是綠色植物進(jìn)行光合作用的重要條件，傳統(tǒng)大棚光照往往易測難控。本研究設(shè)計(jì)的大棚光照控制系統(tǒng)通過光照強(qiáng)度信息的可監(jiān)測與無線傳輸，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，可將大棚光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)到農(nóng)作物適宜生長的范圍，有助于促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量的提高。