廣東理工學(xué)院 任 瑾 吳 瓊 徐殿雙

基于ARM的溫室大棚智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

廣東理工學(xué)院 任 瑾 吳 瓊 徐殿雙

以加快我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程為目的，提出了一種低成本高性能的智能溫室控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集單元和控制單元兩部分，以STM32為核心控制器，對(duì)溫室大棚中的空氣溫濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控的同時(shí)，通過(guò)模糊控制算法對(duì)溫室內(nèi)的調(diào)控設(shè)備進(jìn)行控制，進(jìn)而建立保證一個(gè)適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，可滿足農(nóng)業(yè)上對(duì)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的要求，有助于降低農(nóng)民勞動(dòng)量和提高作物產(chǎn)量。

智能溫室控制系統(tǒng)；STM32；環(huán)境檢測(cè)；模糊控制

0 引言

眾所周知在我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率相對(duì)較低且受自然環(huán)境影響大，而今隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)和住房用的增多使得耕地面積逐年減少。為了提高農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量，人們先是利用了溫室大棚，它的出現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了質(zhì)的飛躍，而今科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人們將高科技應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，更有利于我國(guó)的農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展的進(jìn)程。農(nóng)作物在大棚中的生長(zhǎng)除了與自身的遺傳特性有關(guān)外，還與棚內(nèi)空氣的溫濕度、二氧化碳濃度、光強(qiáng)、土壤濕度等因素有著密不可分的聯(lián)系。如何利用科學(xué)技術(shù)手段創(chuàng)造一個(gè)適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境顯得尤為重要，在經(jīng)過(guò)大量的研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大部分果蔬類作物而言，一般白天適宜生長(zhǎng)的溫度為23～28度，夜間為10～18度[1]，空氣相對(duì)濕度一般在50%～85為宜[2]，在此范圍內(nèi)最有利于作物生長(zhǎng)，此外光照強(qiáng)度、CO2濃度和土壤的濕度也都直接或間接的影響到農(nóng)作物的光合作用。

本文提出的智能溫室控制系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，傳感技術(shù)，通信技術(shù)，農(nóng)業(yè)技術(shù)等為一體，按照農(nóng)作物的生長(zhǎng)規(guī)律，根據(jù)棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化隨時(shí)對(duì)溫室進(jìn)行調(diào)節(jié)控制策略，達(dá)到最有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳狀態(tài)，以提高單位面積農(nóng)產(chǎn)量的目的[3]。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集單元和控制單元兩大部分，其中以STM32為核心控制器進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集部分以IAP15F2K611S2為主，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳給STM32后，經(jīng)過(guò)調(diào)控設(shè)備單元對(duì)溫室內(nèi)的光照補(bǔ)償燈、CO2發(fā)生器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用模糊控制方法對(duì)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)設(shè)置光照強(qiáng)度的上下限來(lái)調(diào)節(jié)光強(qiáng)，當(dāng)外界弱光時(shí)可打開(kāi)補(bǔ)償燈進(jìn)行補(bǔ)光，否則打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)，進(jìn)而保證光強(qiáng)的最佳范圍；利用液態(tài)CO2發(fā)生器通過(guò)控制繼電器實(shí)現(xiàn)濃度調(diào)節(jié)；采用膜下滴灌技術(shù)通過(guò)電磁閥控制土壤的濕度和營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)[4]。本文設(shè)計(jì)的溫室大棚智能控制系統(tǒng)將模糊控制、專家知識(shí)等智能決策與傳統(tǒng)的反饋控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)節(jié)[5]。

2 硬件組成

系統(tǒng)的硬件主要包括數(shù)據(jù)單元和控制單元兩部分，數(shù)據(jù)單元主要完成空氣的溫濕度檢測(cè)、土壤濕度、光強(qiáng)等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，而后送給控制單元；控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示、控制、參數(shù)設(shè)定等功能。

2.1 控制單元模塊

控制單元的硬件框圖如圖1所示，采用核心控制器是STM32F103的最小系統(tǒng)，人機(jī)交互模塊采用的是HYW240128ALCD液晶顯示屏,鍵盤模塊選用獨(dú)立式接口模式共6個(gè)按鍵，用以數(shù)據(jù)閥值得設(shè)定和控制模式的選?。煌ㄐ拍K根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所處環(huán)境等綜合因素選用的是RS485通信。因?yàn)槿藱C(jī)交互模塊和通信模塊電路比較通用，本文在此不進(jìn)行闡述。系統(tǒng)控制的輸出單元是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有光補(bǔ)燈（220VAC控制）、CO2發(fā)生器（220VAC控制）、水肥控制閥（24VDC控制）等。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送入處理器中后，處理器將其與預(yù)先設(shè)定好的值進(jìn)行對(duì)比再根據(jù)軟件控制規(guī)則，發(fā)出相應(yīng)控制的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。本文以控水閥模塊為例，其電路如圖2所示，控制器通過(guò)PE11引腳發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)，當(dāng)PE11=0時(shí)，光敏三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，控水閥門打開(kāi)，反之關(guān)閉。

圖1 控制單元的硬件框圖

圖2 控水閥模塊電路

2.2 數(shù)據(jù)單元模塊

數(shù)據(jù)單元的框圖如圖3所示，采用IAP15F2K61S2芯片為主，完成對(duì)空氣的溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光強(qiáng)的檢測(cè)。系統(tǒng)對(duì)空氣溫濕度檢測(cè)模塊選用的是DHT11復(fù)合型數(shù)字傳感器與IAP15的P0.0口連接；針對(duì)棚內(nèi)光強(qiáng)特點(diǎn)，光強(qiáng)采集模塊選擇的是數(shù)字光模塊GY-30，雙串口數(shù)據(jù)線與P0.3和P0.4口連接,設(shè)計(jì)中ADDR端接地，芯片地址配為0x46；CO2濃度檢測(cè)選用TGS4161模塊，輸出的模擬信號(hào)連接P1.3引腳,其電壓范圍為0～2V，無(wú)需調(diào)理電路可直接與AD連接；土壤濕度檢測(cè)模塊采用的是YGC-TS系列傳感器，采用駐波原理的土壤含水率測(cè)量方法，得到的是土壤真實(shí)水分含量[6]。電路中為了減少干擾與LM358連接，它相當(dāng)于電壓跟隨器，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)它后送給控制器中的ADC引腳進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。采集單元模塊的部分電路圖如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集單元的框圖

圖4 采集單元模塊的部分電路

圖5 主程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)軟件的關(guān)鍵部分，其框圖如圖5所示，系統(tǒng)初始化后將系統(tǒng)的調(diào)控設(shè)備關(guān)閉，主程序進(jìn)入不斷往復(fù)循環(huán),用于完成按鍵的掃描、數(shù)據(jù)的傳送、超限控制、上下限報(bào)警等功能。主程序中超限控制包括模糊邏輯控制和開(kāi)關(guān)量控制兩種，本設(shè)計(jì)中空氣溫濕度根據(jù)模糊控制，通過(guò)查詢模糊邏輯表進(jìn)行調(diào)節(jié)；而土壤濕度、CO2濃度和光強(qiáng)度采用開(kāi)關(guān)量控制方式，當(dāng)某一參數(shù)越限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離和信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大電路控制相應(yīng)的調(diào)控設(shè)備開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)改變?cè)搮?shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作[7]。

設(shè)計(jì)中采用的模糊控制的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需建模，是處理大慣性系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)的首選且簡(jiǎn)單有效。它把人工控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成一定的規(guī)律，對(duì)其模糊數(shù)學(xué)定量化，從而實(shí)現(xiàn)智能控制[8]，其部分推理流圖如圖6所示：

圖6 模糊推理系統(tǒng)流圖

首先將采集到的數(shù)值與設(shè)定值對(duì)比，計(jì)算偏差е和偏差變化率Δe，然后判斷他們是否超出了系統(tǒng)所設(shè)定的基本論域范圍，大于上限則稱為為上限值，小于下限稱為下限值，在其范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行下一步處理。進(jìn)行模糊化處理前需將這兩個(gè)值量化，之后查表，獲取輸出U的模糊量[9]，最后去模糊化得出精確的控制量。

圖7 大棚內(nèi)外溫度變化折線圖

圖8 大棚內(nèi)外濕度變化折線圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展望

在實(shí)驗(yàn)室搭建智能控制系統(tǒng)，分別對(duì)軟硬件進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)反復(fù)調(diào)試無(wú)誤后，在溫室中進(jìn)行安裝，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。因?yàn)樵跍厥耶?dāng)中溫度和濕度這兩項(xiàng)是主要參數(shù)，所以本文以棚內(nèi)外溫濕度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。 系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間為早7點(diǎn)到下午19點(diǎn)，設(shè)定最佳溫度為23度，濕度為65%RH。每隔一小時(shí)測(cè)試一次。其溫濕度對(duì)比折線圖如圖7和8所示。通過(guò)圖7和圖8可直觀的看出大棚內(nèi)空氣溫濕度的變化平緩，溫濕度數(shù)值能夠穩(wěn)定保持在作物最佳生長(zhǎng)范圍內(nèi)。因此，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主要環(huán)境參數(shù)的調(diào)控，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。溫室大棚系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，集合了多種技術(shù)于一體，因?yàn)橥庠谝蛩叵拗萍皞€(gè)人經(jīng)驗(yàn)的缺失，系統(tǒng)仍存在不足，比如還不能進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信，不足之處還須要進(jìn)一步完善研究。

[1]孫環(huán),劉捷,李裕.設(shè)施農(nóng)業(yè)的溫室環(huán)境調(diào)控問(wèn)題分析與研究機(jī)[J].湖南農(nóng)機(jī):學(xué)術(shù)版,2012(3):45-46.

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Design of the Ggreenhouse Iintelligent System Based on ARM

REN Jin，WU Qiong，XU Dianshuang

（Guangdong Polytechnic College，Zhaoqing ,526100，China）

To speed up the process of agricultural modernization in our country，proposes a low-cost high-performance intelligent greenhouse control system. The system mainly includes two parts: the data acquisition unit and control units，use STM32 as the core controller，monitoring the temperature and humidity in greenhouses，light，CO2 concentration and other environmental parameters at the same time，through fuzzy control algorithm to control equipment，and ensure a best environment suitable for crop growth. Through repeated experiments show that the system has high reliability，strong expansibility，can meet the requirements of agriculture for greenhouse monitoring and control system，help to reduce farmers’labor and increase crop yields.

Intelligent greenhouse control system；STM32；Environmental monitoring；Fuzzy control

任瑾（1989—），女，遼寧朝陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)。

吳瓊（1989—），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，主要研究方向：狀態(tài)估計(jì)、信息融合、電氣自動(dòng)化技術(shù)。

徐殿雙（1987—），男，黑龍江安達(dá)人，碩士研究生，主要研究方向：能源材料、電子技術(shù)。