基于ARM水脅迫聲發(fā)射的精準(zhǔn)灌溉智能溫室系統(tǒng)的設(shè)計

摘要設(shè)計了一種基于ARM平臺LPC2300系列的智能溫室控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)智能溫室系統(tǒng)上加入了植物水脅迫聲發(fā)射信號的獲取以及處理，以實現(xiàn)溫室的精準(zhǔn)灌溉。該系統(tǒng)以ARM7嵌入式處理器為核心， 將各類數(shù)字傳感器收集的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)代控制理論及模糊控制算法進(jìn)行處理，采用自動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和圖形化等多種方式來調(diào)整溫室執(zhí)行機構(gòu)，以達(dá)到控制溫室溫濕度、CO2濃度、光照強度以及土壤含水率等參數(shù)，在搭建的溫室模型中取得穩(wěn)定、可靠的運行效果。該研究設(shè)計的ARM 系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)，具有維護(hù)成本低、功耗低、方便實用等特點；相比于同類設(shè)計，該系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)字傳感器、圖形化界面、模糊控制方法、網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控，實現(xiàn)了現(xiàn)代溫室控制所具有的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和可視化。

關(guān)鍵詞ARM；嵌入式系統(tǒng)；智能溫室；精準(zhǔn)灌溉；模糊控制

中圖分類號S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2015）05-351-03

基金項目國家自然科學(xué)基金項目（51269033）。

作者簡介余海斌（1990- ），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動化。*通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)電氣工程研究。

收稿日期2014-12-29

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，人們對物質(zhì)生活的要求越來越高。我國農(nóng)業(yè)以較快的速度發(fā)展，大多數(shù)農(nóng)民已經(jīng)開始使用溫室大棚種植技術(shù)，但是農(nóng)作物種植受到地域和自然環(huán)境等因素影響，智能溫室的發(fā)展將會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。溫濕度、光照量和灌溉量是農(nóng)作物生長很重要的因素，而現(xiàn)今溫室大棚的溫濕度、光照和灌溉依舊由人工檢測和控制，

運用智通溫室系統(tǒng)科學(xué)地控制溫濕度和精準(zhǔn)灌溉，可以顯著提高農(nóng)作物的產(chǎn)量以及質(zhì)量。

當(dāng)今世界上的發(fā)達(dá)國家如荷蘭、美國等大力提倡發(fā)展集成化、規(guī)模化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi)溫度、光照、CO2、水、肥都已實現(xiàn)了計算機集中調(diào)控，從種子的選擇、栽培管理到采收加工以及包裝等流程，形成了一整套規(guī)范化技術(shù)體系。美國是世界上最早發(fā)明計算機的國家，同樣也是將計算機應(yīng)用于溫室控制和管理最早、最廣泛的國家之一。美國有一整套發(fā)達(dá)的設(shè)施栽種和培養(yǎng)技術(shù)，溫室綜合環(huán)境的控制技術(shù)水平非常高。溫室環(huán)境控制計算機主要是對溫室環(huán)境（氣象環(huán)境和栽培環(huán)境等）進(jìn)行實時監(jiān)測和控制。以花卉溫室為例，溫室監(jiān)控項目包括室內(nèi)溫度、水溫、土壤含水率、管道溫度、空氣濕度、保溫幕布狀況、通窗狀況、水泵的工作狀況、CO2濃度、EC調(diào)節(jié)池、pH調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值等參數(shù)；室外監(jiān)控項目包括大氣溫度、太陽輻射強度、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度等。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，溫室專家系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用也給種植者們帶來了一定的經(jīng)濟效益，提高了管理者的決策水平，減輕了技術(shù)管理工作量，同時也為種植和培養(yǎng)帶來了諸多方便。除此之外，發(fā)達(dá)國家的溫室行業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。遙感測控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、局域網(wǎng)控制技術(shù)已逐漸應(yīng)用于溫室的管控之中。智能化控制要求在遠(yuǎn)離溫室現(xiàn)場的計算機控制中心就能完成，即遠(yuǎn)程控制。另外該網(wǎng)絡(luò)還連接有其他通訊平臺，用戶可以在遙遠(yuǎn)的地方通過逼真、直觀的圖形化界面與這種分布式的控制系統(tǒng)進(jìn)行對話，就像在現(xiàn)場操作一樣，給人一種身臨其境的感覺[1]。

筆者以智能嵌入式ARM微控制器為控制核心，集成溫濕度傳感器作為溫濕度檢測元件，加熱、加濕設(shè)備作為溫室調(diào)節(jié)器，設(shè)計了一種溫室大棚的智能化控制和管理系統(tǒng)。

1系統(tǒng)介紹

該設(shè)計以LPC2300系列ARM智能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，溫度、濕度等因素測量和自動控制系統(tǒng)為核心來對溫室進(jìn)行實時檢測。微控制器ARM能獨立完成各項功能，同時能通過溫濕度傳感器等外設(shè)對溫濕度等信號進(jìn)行定時采集。測量結(jié)果不僅能在本地顯示，而且可以利用ARM的串行口和CAN總線通信協(xié)議能把溫室中的溫度、濕度、土壤含水率等參數(shù)及時上傳至上位機，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，與設(shè)定值不符時采取相應(yīng)的處理措施。有了植物的水脅迫聲發(fā)射信號，使用者能更清楚地知道植物對水的需求量，讓溫室始終處于恒溫恒濕的穩(wěn)定環(huán)境當(dāng)中。

在設(shè)計的過程中充分考慮到性價比和精度，在選用價格適中、通用元件的基礎(chǔ)上，盡量滿足設(shè)計要求，并使系統(tǒng)具有較高的精度。該控制系統(tǒng)以ARM微控制器為核心，實時監(jiān)測環(huán)境的溫度、濕度和土壤含水率，并設(shè)定了這些參數(shù)的上、下限值，設(shè)計了相應(yīng)的報警系統(tǒng)，當(dāng)超過設(shè)定的閾值時，ARM將會觸發(fā)報警系統(tǒng)進(jìn)行報警，同時驅(qū)動執(zhí)行繼電器打開相應(yīng)的開關(guān)使相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)運行；當(dāng)參數(shù)值恢復(fù)到正常范圍內(nèi)時，ARM將控制執(zhí)行機構(gòu)停止運行，從而使環(huán)境的溫濕度、CO2濃度、含水率等參數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)[2]。

2系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)包括ARM 開發(fā)板、外圍電路和溫室模型3部分。通過模擬量和數(shù)字量輸入接口，將溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、土壤含水率傳感器等傳感器所得的連續(xù)的物理信號通過A/D和D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為離散的電信號。LPC2300系列ARM可以捕捉到這類信號并實時顯示在外接LCD上。在對信號的處理上采用智能離散模糊化處理，再將處理后的結(jié)果通過執(zhí)行機構(gòu)輸出接口，傳輸給通風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)、加熱系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)、濕簾水泵執(zhí)行電機等執(zhí)行機構(gòu)，以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫濕度、光照、CO2、土壤含水率等參數(shù)，達(dá)到人們想要的預(yù)期值。

在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，單機控制已經(jīng)不能完全滿足人們的智能化要求。LPC2300系列ARM已經(jīng)為人們提供了強大的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸接口，該研究采用CAN接口連接至上位機服務(wù)器。服務(wù)器采用性能強勁、穩(wěn)定的Linux系統(tǒng)，它可以將ARM傳送的數(shù)據(jù)實時保存在Oracle數(shù)據(jù)庫中。并與外界的Internet相連，接入農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)以實現(xiàn)精確性。借助強大的Linux系統(tǒng)，可以搭建Web環(huán)境，這樣就能實施遠(yuǎn)程監(jiān)控了。今天人手一臺智能手機已成為現(xiàn)實，為此還可以開發(fā)相關(guān)的APP，做到無論何時何地在手上也能遠(yuǎn)程查看溫室的狀況。系統(tǒng)原理見圖1。

2.1LPC2300系列ARM控制器LPC2300系列是基于ARM7的微控制器，十分適用于需要串行通信的場合。它包含了10/100 Ethernet MAC、USB2.0全速接口、4個UART、2路CAN通道、1個SPI接口、2個同步串行端口（SSP）、3個I2C接口、1個I2S接口和一條MiniBus總線。

ARM7TDMI-S處理器，可在高達(dá)72 MHz的頻率下運行；高達(dá)512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）功能。單個Flash扇區(qū)和整個芯片擦除的時間都為400 ms、256 kB編程的時間為1 ms。Flash程序存儲器位于ARM局部總線上，可以進(jìn)行高性能的CPU訪問；兩個AHB系統(tǒng)，可同步進(jìn)行Ethernet DMA、USB DMA及從片內(nèi)Flash執(zhí)行程序的操作，執(zhí)行這些功能時不會產(chǎn)生競爭。AHB總線橋允許Ethernet DMA訪問其他AHB子系統(tǒng)；片內(nèi)振蕩器的工作頻率為1～24 MHz；4 MHz的內(nèi)部RC振蕩器，可用作系統(tǒng)時鐘；片內(nèi)PLL允許CPU工作在最大速率而無須使用高頻率。PLL可從主振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器或RTC振蕩器開始運行；引腳功能選擇為使用片內(nèi)外設(shè)功能提供了更多的可能性[3]。

2.2CAN總線的設(shè)計

系統(tǒng)由上位機監(jiān)控中心和CAN總線監(jiān)測節(jié)點組成，CAN總線溫室監(jiān)測系統(tǒng)框架見圖2。由采集模塊將采集到的溫濕度、光照、CO2、土壤含水率等參數(shù)信號，傳遞給主控制模塊進(jìn)行信號的處理；再由通信模塊生成協(xié)議報文，并由CAN收發(fā)器通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，同時接收上位機發(fā)來的控制命令，并予以反饋。上位機監(jiān)控中心則負(fù)責(zé)收集由CAN總線傳輸過來的各種數(shù)據(jù)，并實時顯示，同時還起著指揮CAN總線各節(jié)點的作用，讓溫室的各種環(huán)境參數(shù)時刻處于最佳的狀態(tài)。

2.3模糊控制算法

自動灌溉系統(tǒng)灌溉作物需要混合在水中的營養(yǎng)液的特定濃度，混合營養(yǎng)液同步進(jìn)行灌溉，營養(yǎng)液在線自動混合控制和自動灌溉是該系統(tǒng)的關(guān)鍵和技術(shù)難點。根據(jù)對營養(yǎng)液構(gòu)成及工作特性的分析可知，該系統(tǒng)是一個實時的、大延遲的、有不確定因素的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)有很大的滯后性和慣性環(huán)節(jié)，并且傳遞函數(shù)也很難確定。因為該控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元是電磁閥，只有開關(guān)兩種狀態(tài)，只能按照電磁閥周期內(nèi)的開關(guān)時間比例，用經(jīng)典控制方法不容易得到很好的控制效果。所以，該系統(tǒng)將采用模糊邏輯控制方法來實現(xiàn)。在模糊控制器的設(shè)計時，用偏差和偏差變化量來作為輸入變量，為營養(yǎng)液的電導(dǎo)率（EC）或酸堿度（pH）的實測值與營養(yǎng)液的電導(dǎo)率（EC）或酸堿度（pH）的標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值，作為鄰近2次差值的變化，表示為：

e（k）=r（k）-y（k） （1）

Δe（k）=e（k）-e（k-1）（2）

因為輸入變量有2個，故稱為二維模糊控制器，控制系統(tǒng)框架見圖3。這時的模糊控制器類似于一個PD控制器，從而有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少響應(yīng)過程的超調(diào)量以及削弱其振蕩現(xiàn)象[4]。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由主程序、數(shù)據(jù)采集、顯示、報警、鍵盤等模塊組成。

3.1主程序模塊主程序模塊主要完成硬件初始化、子程序模塊調(diào)用等功能。具體流程見圖4。

3.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)輸入?yún)?shù)對相應(yīng)模擬信號進(jìn)行采樣、量化及處理，并將相應(yīng)信號數(shù)值返回主程序。程序代碼如下：

void Get_temperature（void）

{

Initize_18B20（）； //初始化18b20

Write_Byte_18b20（SkipRom）；

Wait_Bus_Delay（1）；

Write_Byte_18b20（ConvertTemperature）； //18b20 功能指令，寫入溫度轉(zhuǎn)換命令

Wait_Bus_Delay（5）；

Initize_18B20（）； //初始化18b20

Write_Byte_18b20（SkipRom）；

Wait_Bus_Delay（1）；

Write_Byte_18b20（ReadScratchpad）； //18b20 功能指令，讀暫存器指令

temperature_low=Read_Byte_18b20（）； //讀取溫度數(shù)據(jù)低位，其中最低4 位為小數(shù)位

temperature_high=Read_Byte_18b20（）； //讀取溫度數(shù)據(jù)高位，其中最高5 位為符號位

Wait_Bus_Delay（20）；

temperature_all=（（temperature_high<<8）|（temperature_low））；

if（temperature_all&0xf800） //判斷溫度是否為負(fù)

{

temperature_all=0； //限制溫度測量下限為0 度

}

}[5]

4結(jié)語

該研究所設(shè)計的系統(tǒng)是一種基于ARM微控制器的智能溫室控制系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)溫室灌溉系統(tǒng)存在的不足，利用現(xiàn)代智能傳感技術(shù)以及水脅迫聲發(fā)射信號， 以經(jīng)濟、簡單、方便、智能的方法實現(xiàn)對溫室各種復(fù)雜環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確檢測。設(shè)計的智能溫室控制系統(tǒng)完全滿足各種植物生產(chǎn)的實際需求，實踐證明該系統(tǒng)具有安全可靠、經(jīng)濟、穩(wěn)定性好且操作簡單等特點，符合當(dāng)前溫室系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢， 具有良好且廣闊的應(yīng)用前景。

43卷5期余海斌等基于ARM水脅迫聲發(fā)射的精準(zhǔn)灌溉智能溫室系統(tǒng)的設(shè)計

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯夏靜責(zé)任校對李巖