陽臺植株養護機控制系統的設計與實現

吳國娟+張潤久+高默雷+劉秀+劉佳文

摘 要：敘述了陽臺植株養護機的設計和實現過程。對陽臺農業的適應性進行了探討，設計了針對陽臺農業適用的養護設備。養護設備在完成基本的數據采集和控制后，還兼顧了遠程控制和娛樂性需求。

關鍵詞：陽臺農業；植株；養護；數據采集；遠程控制；GPRS

中圖分類號：S688 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.01.026

Design and Implementation of Plant Conservation Balcony Control System

WU Guo-juan1， ZHANG Run-jiu1， GAO Mo-lei1， LIU Xiu1， LIU Jia-wen2

（1.Tianjin Aimin Network Technology Company Limited， Tianjin 300090，China；2.Department of Horticulture，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China）

Abstract： This paper described the design and implementation process balcony plant conservation machines. Adaptability balcony agriculture were discussed， designed for the balcony applicable conservation agriculture equipment. After completing basic maintenance equipment data acquisition and control， but also take into account the remote control and entertainment needs.

Key words： balcony agriculture；plants；conservation；data collection；remote control；GPRS

收稿日期：2013-11-25；修訂日期：2013-11-29

作者簡介：吳國娟（1977—），女，內蒙古巴彥淖爾盟人，本科，主要從事物聯網自動化控制應用方面的研究。

陽臺農業滿足了個人化的種植需求，市場前景廣闊，為此，我們設計了專門植株養護設備。該設備放置在陽臺上，能夠滿足多種植株的生長環境需求，并根據養護機所在環境中的溫度、濕度、光照數據控制相應的設備保持植株在適宜的環境中生長。遠程控制解決了不同植株對環境的要求的差別，并允許用戶進行遠程控制，滿足用戶的娛樂性需求。養護機需要長期連續運行，并且需要接觸水源、電源，還有可能處于長時間無人值守的狀態，因此也必須具備一定的防護能力。

1 總體設計

養護機從設計之初就堅持實用、可靠、節能的設計理念。養護機需要能夠采集包括溫度、濕度、光照在內的生長環境信息，并根據這些信息控制相應的補水、補液、排風設備，改變生長環境，使植株能夠在適宜的條件下生長。養護機栽培的植物種類繁多，需要根據具體情況分別處理，并且用戶能夠進行遠程控制，為此，需要設計遠程數據傳輸系統。在此基礎上，還要設計相關的網頁和手機客戶端供用戶遠程控制。對于大功率的控制設備，不要求連續運行時間過長，盡量采用低功耗、具備休眠功能的器件，不工作時降低系統整體耗電量。與工業控制系統相比，養護機在保證性能的同時，更多的要考慮到成本，在性能、可靠性和成本之間找到平衡點，這是本設計主要考慮的問題。

2 結構設計

養護機控制系統按照功能分為采集、控制、傳輸、電源四個模塊。采集模塊包括對溫度、濕度、光照的采集；控制模塊包括對水箱、排風、霧化、生長燈的控制；傳輸模塊使用GPRS與服務器進行通訊；電源模塊給各模塊供電。單片機采用5 V電源，具備一定的抗干擾能力。

電源系統在各模塊不工作的前提下，消耗功率不大于3 W。即使如此，考慮到控制模塊的短時間耗電量比較大，依舊沒有采用電池供電的方法。首先，現有常規的堿性電池和鋰電池都不具備長時間無人值守的情況下連續工作的能力，免維護的鉛酸電池重量較大也不便使用。另外，也會增加用戶的使用成本和維護量，這些都會給用戶帶來不便。最后，電池剩余電量檢測比較困難，并且結果也不夠準確，實際使用中因無法進行遠程連接誤認為是斷電也是比較合理的解釋。為此，在本設計中，采用交流220 V供電，首先可以長期連續供電，其次也不用考慮電壓的變化，唯一需要的是進行過流保護。本設計中采用了自恢復保險解決了電源安全性的問題。使用多繞組的R型變壓器可以輸出多種電壓，提高了對負載的適應能力。

控制電路與水源和土壤接近，在設計中充分考慮了防潮、防水、防腐蝕和漏電的問題。

3 數據采集

空氣的溫度、濕度采集已經相當成熟。初期采用DS18B20和HS1101構成了溫濕度采集系統，目前采用DHT11溫濕度傳感器也得到很好的效果。

土壤濕度檢測比較困難。盡管經過了多次實驗，性價比合適的器件仍然沒有找到。目前的土壤濕度傳感器準確性、穩定性、可靠性都無法保證，通過補水時間大致估計土壤濕度的方法仍然比較現實。

水箱液位采集最終采用了超聲波測距的方法。開始采用水導電特性的液面位置檢測由于檢測電極非常容易被腐蝕而放棄，其后采用的光電傳感器的方法也被證明不夠實用。超聲測距的方法需要進行一定的溫度補償，并且測量的距離太近也會導致誤差的增加。

4 控制機構

目前，全部設備的控制信號都由單片機IO管腳輸出。全部的控制電路都使用光耦器件實現了光電隔離。直流驅動采用IRF530VMOS器件，可以滿足50 W以下設備（如生長燈、直流水泵）的控制需求。繼電器控制220 V交流供電設備（如霧化、交流水泵）。實踐表明，采用繼電器控制比可控硅控制在小功率場合下具備更高的可靠性。控制信號目前沒有閉環反饋信號，因此程序設計中包括了時間上限的控制，即使GPRS接收到的指令超出上限也仍然按照上限時間關閉設備。

光照的功率消耗最小，一般不超過10 W，工作時間最長，一般也不超過4 h。補水、補液目前采用25 W直流或15 W交流供電，最長工作時間不超過5 min。霧化、排風控制按用戶或服務器指令控制，一般不超過20 min。

5 遠程通訊

無線數據傳輸系統初期采用Sim300 GPRS模塊，目前采用Sim900A GPRS模塊，二者都存在管腳數量多、不易焊接的問題。Sim900A模塊運行相對穩定，具有低功耗模式，模塊中已經內置TCP協議棧，方便與服務器進行TCP通訊。Sim900A模塊還使用串口方式與單片機進行通訊。Sim900A模塊為4.2 V供電，并且需要專門的外圍穩壓電路才能滿足瞬時大電流穩定工作的需要。

根據客戶機/服務器體系的要求，養護機被作為客戶機使用，定時與服務器連接，并上傳數據采集的狀態，接收并完成服務器發出的指令。在數據收發的過程中，客戶端具有主動性，即在客戶端沒有與服務器連接的情況下，服務器無法找到客戶端，為此，采用了服務器端也安裝Sim900A模塊，在需要時對客戶端撥號呼叫的方法。在本設計中，不要求客戶端全天候實時傳輸，而是采用了客戶端間歇與服務器進行TCP連接的方法，首先降低了服務器端的系統負載，同時也節省了數據流量。

流量控制。最終GPRS流量限制在1 MB/d，采集的數據20 s更新一次，控制指令隨時下達，既滿足了用戶的實時性需求，也盡可能降低了流量成本的支出。

6 結束語

通過近兩年的實際使用，系統已經日趨成熟，可以長期穩定工作，客戶反映良好。兩年的實際運行也感覺到陽臺農業仍然需要以定制為主，因此，控制系統需要有更大的靈活性和伸縮性，盡量減少不必要的成本增加。控制電路經過多次修改，逐步形成了各子系統的模塊化。單片機、GPRS模塊與控制電路分開，電路板尺寸相對固定。形成了4路和8路控制的體系，并可以串行連接，通過這些組合，能夠盡快滿足最終的控制需求。

縱觀陽臺農業的發展，控制系統可做的事情仍然很多。在小環境的溫度、濕度、光照可控的情況下，根據用戶定制的需求，盡快組合出滿足條件的系統和環境，通過進一步對系統進行優化和完善，滿足用戶更多的娛樂性、適用性需求。

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