新型農(nóng)業(yè)育種高精度恒溫恒濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為提高農(nóng)業(yè)育種效率，提出了一種新型農(nóng)業(yè)育種高精度恒溫恒濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。基于ARM微處理器LPC2124和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟硬件，采用新型溫濕度傳感器SHT11實(shí)現(xiàn)了育種箱內(nèi)環(huán)境溫度和濕度的監(jiān)測(cè)，采用雙向可控硅及固體繼電器實(shí)現(xiàn)了加熱和超聲霧化加濕電路的工作控制。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的測(cè)控精度高、功耗低，顯著提高了育種效率，具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)育種；ARM微處理器；嵌入式系統(tǒng)；恒溫；恒濕

中圖分類號(hào)：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）14-3409-03

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是中國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化是當(dāng)今農(nóng)業(yè)工程的重要主題，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中育種作業(yè)是基礎(chǔ)和關(guān)鍵問(wèn)題[1]。傳統(tǒng)的手工自然育種方式存在溫濕度控制效果差、發(fā)芽率低和育種周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，恒溫育種箱的研究得到了廣泛關(guān)注[2]。然而，現(xiàn)有產(chǎn)品大都只關(guān)注了溫度控制，而種子生長(zhǎng)環(huán)境的濕度控制完全通過(guò)依靠手工方式為育種介質(zhì)澆水來(lái)實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)澆水量靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，往往不易掌控，濕度小不利于種子發(fā)芽，而濕度大又容易引起爛種。

為實(shí)現(xiàn)育種作業(yè)的自動(dòng)化和智能化，提高育種效率和發(fā)芽率，研究提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)的高精度恒溫恒濕控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)通過(guò)高精度數(shù)字溫濕度傳感器探測(cè)育種箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)執(zhí)行電路自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度和濕度，取得了很好的實(shí)用效果。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以嵌入式ARM微處理器為核心，主要包括當(dāng)前溫度/濕度檢測(cè)模塊、鍵盤(pán)輸入功能模塊和液晶顯示功能電路、溫度/濕度調(diào)節(jié)功能模塊以及電壓、晶振和復(fù)位等外圍支持電路等功能模塊。工作過(guò)程中，系統(tǒng)可通過(guò)鍵盤(pán)輸入功能模塊接收用戶的溫度設(shè)定值和濕度設(shè)定值，通過(guò)當(dāng)前溫度檢測(cè)電路和濕度檢測(cè)電路探測(cè)育種箱內(nèi)種子的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)測(cè)量值與設(shè)定值的差分情況確定是否啟動(dòng)溫度調(diào)節(jié)電路和濕度調(diào)節(jié)電路。電壓、晶振和復(fù)位等外圍支持電路則為系統(tǒng)的正常工作提供了支持。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件以嵌入式ARM微處理器LPC2124為核心，設(shè)計(jì)包括當(dāng)前溫度/濕度檢測(cè)電路、鍵盤(pán)輸入和顯示輸出電路、溫度/濕度調(diào)節(jié)電路以及電壓、晶振和復(fù)位等外圍支持電路的設(shè)計(jì)等。其中，外圍支持電路的設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)[3]。下面分兩部分介紹其他電路模塊的設(shè)計(jì)方法。

2.1 溫濕度檢測(cè)及I/O電路設(shè)計(jì)

當(dāng)前溫濕度檢測(cè)電路、I/O電路（即鍵盤(pán)輸入和顯示輸出電路）的設(shè)計(jì)如圖2所示。溫濕度檢測(cè)電路基于瑞士Sensirion公司最新推出的溫濕度傳感器SHT11設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。SHT11[4]是具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器，采用獨(dú)特的CMOSensTM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中SHT11占用LPC2124的I2C總線接口，通過(guò)SDA和SCL引腳完成通信連接。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，在SDA上配備了上拉電阻R6。I/O電路設(shè)計(jì)包含鍵盤(pán)輸入電路、液晶顯示電路和LED燈指示電路三部分。圖2中S1、S2用于參數(shù)值的增減輸入以及功能菜單的選擇，處理器引腳平時(shí)為高電平狀態(tài)，當(dāng)按鍵按下時(shí)引腳與地直通，電壓VCC由電阻R4/R5承擔(dān)，引腳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)；液晶顯示電路基于LCD1602實(shí)現(xiàn)，可向用戶實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度等數(shù)據(jù)情況；LED1、LED2和LED3分別用于指示系統(tǒng)電源、溫度調(diào)節(jié)工作狀態(tài)和濕度調(diào)節(jié)工作狀態(tài)。

嵌入式ARM微處理器LPC2124的選用有效保證了系統(tǒng)的性能。該處理器具有如下主要性能特征：①內(nèi)部集成了一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有256 kB高速Flash存儲(chǔ)器；②128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行；③采用超小LQFP64封裝，功耗極低；④通過(guò)片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）；⑤Embedded ICE可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)，當(dāng)使用片內(nèi)RealMonitor軟件對(duì)前臺(tái)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)運(yùn)行；⑥具有多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口（400 kHz）和2個(gè)SPI接口等資源。

2.2 溫濕度調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

溫濕度調(diào)節(jié)電路如圖3所示。LPC2124通過(guò)GPIO引腳P1.9控制溫度調(diào)節(jié)電路。考慮系統(tǒng)安全性，在控制線上采用了雙向可控硅MOC3021[5]隔離弱電主控系統(tǒng)和強(qiáng)電被控系統(tǒng)。為增強(qiáng)GPIO驅(qū)動(dòng)能力，在控制線上使用了74LS06的一路非門(mén)。當(dāng)P1.9輸出高電平時(shí)，MOC3021的內(nèi)置發(fā)光二級(jí)管處于正偏導(dǎo)通狀態(tài)，MOC3021的輸入端有電流輸入，輸出端雙向可控硅導(dǎo)通進(jìn)而觸發(fā)KS導(dǎo)通，電熱絲通電工作；P1.9輸出低電平時(shí)，電熱絲停止工作。其中R14和C5共同構(gòu)成雙向可控硅KS的阻容保護(hù)電路。濕度調(diào)節(jié)電路的控制通過(guò)P1.8引腳實(shí)現(xiàn)，采用晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器方式控制超聲霧化加濕裝置[6]的啟停。晶體管9013用于為繼電器提供工作電流。晶體管輸出型光電耦合器TLP521-1[7]用于隔離保護(hù)。續(xù)流二極管IN4001與繼電器并聯(lián)，用于保護(hù)接口電路，截止時(shí)釋放繼電器線圈能量，避免驅(qū)動(dòng)器件被反向擊穿。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植和恒溫恒濕控制程序的開(kāi)發(fā)兩大部分。操作系統(tǒng)選用了源代碼完全公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，恒溫恒濕控制程序基于嵌入式C語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)。

3.1 操作系統(tǒng)的移植

μC/OS-II是一種專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的可移植、可裁剪、搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其絕大部分代碼基于C語(yǔ)言編寫(xiě)，只有與CPU硬件相關(guān)的部分用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，以便移植到任何一種CPU上。為了能使μC/OS-II在本系統(tǒng)的核心處理器LPC2124上運(yùn)行，設(shè)計(jì)中進(jìn)行了操作系統(tǒng)的移植。研究分析了LPC2124的自身特性，它完全支持μC/OS-II的移植。移植工作主要集中在如下方面：①編寫(xiě)了LPC2124的啟動(dòng)代碼，實(shí)現(xiàn)程序入口指針的定義和中斷向量的設(shè)置，并初始化各模式下的堆棧和寄存器[8]；②修改了與處理器相關(guān)的代碼部分，主要包括文件“OS_cpu.h”、“includes.h”、“OS_cpu_a.s”和“OS_cpu_a.c”。在“OS_cpu.h”中定義了與處理器相關(guān)的常數(shù)和宏[9]，移植時(shí)主要修改與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的設(shè)定以及系統(tǒng)宏開(kāi)關(guān)中斷等；文件“OS_cpu_a.c”的移植主要包括任務(wù)堆棧初始化和相應(yīng)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)；文件“OS_cpu_a.s”的移植涉及對(duì)處理器的寄存器操作。

3.2 恒溫恒濕控制程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 恒溫恒濕控制程序的設(shè)計(jì)流程 恒溫恒濕控制程序基于嵌入式C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，其程序流程如圖4所示。完成系統(tǒng)初始化后，程序通過(guò)定時(shí)查詢方式循環(huán)探測(cè)育種箱內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，并監(jiān)測(cè)鍵盤(pán)模塊有無(wú)數(shù)據(jù)輸入。然后根據(jù)探測(cè)值和設(shè)定值綜合判斷是否需要啟動(dòng)溫度或濕度調(diào)節(jié)電路來(lái)改變箱內(nèi)溫度或濕度，程序中采用了PID控制方式進(jìn)行溫度、濕度調(diào)節(jié)電路的控制。值得指出的是，程序?qū)τ蓚鞲衅鱏HT11得到的數(shù)字式溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到真實(shí)值。

3.2.2 溫度轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì) SHT11內(nèi)置的溫度傳感器具有很好的線性特征，真實(shí)溫度值可通過(guò)下式算法轉(zhuǎn)換得到：T=d1+d2×SOT，式中，SOT為SHT11的數(shù)字式溫度數(shù)據(jù)，d1、d2為溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

3.2.3 濕度轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì) 由SHT11讀取的數(shù)字式相對(duì)濕度數(shù)據(jù)需經(jīng)線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償才能得到準(zhǔn)確值。線性補(bǔ)償程序按下式編寫(xiě)：RHl=C1+C2×SORH+C3×SORH2，式中，RHl為線性補(bǔ)償后的濕度值；SORH為相對(duì)濕度測(cè)量值；C1、C2、C3為線性補(bǔ)償系數(shù)，分別取值為-2.046 8、0.036 7和-1.595 5×10-6。然后，按下式進(jìn)行濕度信號(hào)的溫度補(bǔ)償：RHt=（T-25）×（t1+t2×SORH）+RHl，式中，RHt為補(bǔ)償后的真實(shí)濕度值；T為測(cè)量濕度時(shí)刻的溫度；t1、t2為溫度補(bǔ)償系數(shù)，分別取值為0.01和0.000 08。

4 應(yīng)用分析

該系統(tǒng)的樣機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用在了河南省唐山市農(nóng)業(yè)示范園區(qū)的育種作業(yè)中，在不同時(shí)段的多次育種任務(wù)中，系統(tǒng)表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。截至目前，共進(jìn)行了15批次的育種作業(yè)，這些作業(yè)涵蓋了不同作物種類、不同育種介質(zhì)等情況。為測(cè)試系統(tǒng)性能，在各次作業(yè)中均將種子平均分為兩部分，分別使用本系統(tǒng)和傳統(tǒng)育種箱育種，其他條件完全相同。將各次對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，采用本系統(tǒng)的育種效率較傳統(tǒng)育種平均提高了26.3%，由此可見(jiàn)系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)論

育種作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，針對(duì)傳統(tǒng)的手工自然育種方式以及現(xiàn)有的恒溫育種箱的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式ARM微處理器的高精度恒溫恒濕控制系統(tǒng)。基于LPC2124、數(shù)字溫濕度傳感器及執(zhí)行部件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件；基于源代碼完全公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II和嵌入式C語(yǔ)言編程技術(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件。試用情況表明，該系統(tǒng)能夠很好地解決傳統(tǒng)育種的不足；系統(tǒng)實(shí)用性很強(qiáng)、應(yīng)用和推廣價(jià)值較高。

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