適用于陽臺農業的智能植物聯網看護系統*

馮　澍，盛慶華，陳　潔，張乃聰

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

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適用于陽臺農業的智能植物聯網看護系統*

馮澍，盛慶華，陳潔，張乃聰

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

本設計主要針對陽臺農業的特殊性和當前居家種植植物在無人照料時可能存在的由光照、濕度不足等問題造成的植株生長問題提出解決方案。使用土壤溫濕度傳感器采集土壤墑情以實現自動補水及補光、遮陽處理。攝像頭結合路由器通過WLAN鏈接網絡實現對植物的遠程看護。經過對太陽能的采集和儲存，將本系統與市電隔離，保證用電安全的同時節能環保。測試結果顯示，該系統可以根據土壤溫濕度進行自動精確補水補光，植物影像可以從攝像頭經WLAN傳回計算機。可跟蹤太陽能電池最大功率點以保證高效的能源采集存儲且可以在連續陰雨天氣保證電量供應。

陽臺農業；能量收集；MPPT；聯網控制

引用格式：馮澍，盛慶華，陳潔，等. 適用于陽臺農業的智能植物聯網看護系統[J].微型機與應用，2016,35(18)：35-38.

0　引言

隨著生活水平的提高及環境狀況的惡化，生活在城市中的居民越來越想有一個舒適的環境和愜意的生活，陽臺農業應運而生。自己動手種些時令蔬菜滿足自家的需求，種植觀賞性的植物為室內環境增添美感，同時還具有凈化空氣、降低粉塵的作用。然而繁忙的工作、頻繁的出差和較大的工作生活壓力都可能給家居植物種植帶來一個難題——沒有足夠的時間和精力。因此，設計一款完全由太陽能供電以減小經濟負擔、提高安全性、適用于陽臺室內植物種植自動控制的植物看護系統具有較大的研究價值。

1　系統方案

圖1　系統原理框圖

本設計以太陽能能量收集與存儲、土壤溫濕度檢測及補水補光控制、攝像頭圖像聯網傳輸為主要目的，以高效能量收集、能量反饋與電源管理、高精度土壤濕度采集與補水控制、照片聯網傳輸為設計內容，最終實現一種由太陽能供電、可根據監測數據自動補水補光、可遠程聯網看護的自動控制系統。本系統總體設計框圖如圖1所示。該設計主要包括太陽能充電單元、蓄電池充放電及負載用電監測單元、系統供電單元、土壤溫濕度傳感器信號處理單元、繼電器控制單元、有機電激光顯示(Organic ElectroLumine-sence Display, OELD)單元6個單元。硬件部分完成能源采集、存儲、供應，信號采集，補水補光功能；軟件部分主要完成采集數據的分析和補水、補光控制。

2　硬件設計

2.1太陽能充電單元

太陽能電池板在一定光照強度下的輸出功率恒定，隨著電池電量的變化其負載阻抗也會相應發生變化，造成太陽能電池板不能將產生的功率以最大效率存儲進電池。為提高充電效率并保證系統電量的穩定供應，所設計的電路應具有最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Trackin, MPPT)功能以保證最高轉換效率。上海如韻電子公司推出的CN3722[1]為本設計的實現提供了可能。CN3722是一款可使用太陽能電池供電的PWM 降壓模式充電管理芯片,具有最大功率點跟蹤功能，同時還具備恒流和恒壓充電兩種模式，恒流充電電流ICH及恒壓充電電壓VBAT的設定分別由式(1)、(2)給出，其中RCS是連接于CSP管腳和BAT管腳之間的充電電流檢測電阻，IB是FB管腳的偏置電流，其典型值是50 nA。

(1)

(2)

CN3722采用恒定電壓法進行最大功率點跟蹤。通過電阻分壓網絡將太陽能電池電壓接入MPPT管腳調制，配合片外兩個電阻(R3、R8)便可以實現最大功率點跟蹤[2]。CN3722典型應用電路如圖2所示。

圖2　CN3722典型應用電路圖

本設計中使用的多晶硅太陽能電池板參數如表1所示。

表1　太陽能電池板參數

2.2蓄電池充放電及負載用電監測單元

蓄電池電量信息是能源存儲和使用相關的重要信息。該單元主要包括對電池電壓、電流的放大、濾波及采集功能。電壓采集采用電阻分壓方式獲得，然后送入A/D轉換器，為提高精度本設計使用1%精度貼片電阻。電流采樣使用高精度20 mΩ金屬貼片采樣電阻，以減小測量誤差，降低功率損耗。

系統使用MSP430G2553[3]單片機微控制器。其內部具有1個8通道10 bit A/D轉換器。采樣電阻的電壓信號采集及放大選用TI公司生產的INA282[4]高精度、寬共模范圍、雙向電流分流監視器。其具有單電源供電、零漂移、雙向電流檢測等優點。

對蓄電池充電部分的電流監測進行正向充電電流監測，將INA282的REF1、REF2引腳直接接地處理，單向電流監測電路圖如圖3所示。在蓄電池與負載端，為保證電池續航時間并保證電量充足需要分別監測流入流出蓄電池的電流大小，使用雙向電流監測功能。雙向電流檢測電路圖如圖4所示。

圖3　INA282單向電流檢測電路圖

2.3系統供電單元

系統所使用的電能全部由蓄電池儲存的太陽能提供，因此合適高效的降壓供電單元以減少電能損耗，保證整個系統無需外部電力補充的續航能力。本系統使用上海芯龍半導體公司設計生產的XL6019[5]電源芯片。芯片應用電路如圖5所示。

2.4土壤溫濕度傳感器信號處理單元

使用基于頻域反射(Frequency Domain Reflectometry，FDR)原理的土壤濕度傳感器采集土壤濕度，通過電磁波在不同介質中反射頻率的不同測定土壤介電常數，進而測量含水量[6]。溫度采集功能集成于傳感器中，傳感器將濕度和溫度信號分別轉換為0～2 V電壓信號。將傳感器信號通過低通濾波電路接入微控制器A/D轉換器即可通過計算得出土壤溫濕度。信號處理硬件濾波采用電路結構簡單的RC低通濾波器設計，-3 dB截止頻率為15.9 Hz。傳感器信號采集濾波電路如圖6所示。

圖4　INA282雙向電流檢測電路圖

圖5　XL6019電源芯片應用電路圖

圖6　土壤溫濕度傳感器采集濾波電路圖

2.5繼電器控制單元

MSP430微控制器通過輸出高低電平控制繼電器的通斷從而控制補水、補光過程。使用NXP公司生產的P2501光電耦合器實現電器隔離，保證用電安全。NPN三極管起到開關及擴流作用。繼電器串聯在電源與三極管集電極之間，繼電器斷開時線圈內儲存的能量由與繼電器反向并聯的二極管泄放。繼電器控制單元電路圖如圖7所示。

2.6OLED顯示單元

本系統需要顯示較多數據，因此選用低功耗、高亮度、高分辨率的OLED-128×64顯示屏實現顯示功能[7]。OLED使用SSD1306驅動芯片，支持四線串行外設接口(Serial Peripheral Interface,SPI)通信方式，能在滿足顯示數據多的情況下使用較少的微控制器I/O資源，同時滿足系統低功耗的要求。顯示屏與微處理器SPI通信連接圖如圖8所示。

3　軟件設計

3.1土壤溫濕度采集及補水流程

土壤溫濕度是植株生長最基本的生存條件，同時也是本設計中最重要的數據。對傳感器采集回的數據進行分析判斷并進行補水補光是本設計的重點之一。綜合復雜度和濾波效果最終選用中值濾波法對土壤溫濕度數據進行處理。在不進行補水操作的情況下，每分鐘采集6次數據，對數據進行冒泡排序，取中間兩次數據的平均值作為有效數據。將該數據與設定土壤濕度閾值比較，當低于設定濕度后控制水泵進行補水處理。濕度檢測及補水程序框圖如圖9所示。

圖7　繼電器控制電路圖

圖8　顯示屏與微處理器連接圖

圖9　濕度檢測及補水程序框圖

3.2主程序流程

由于MSP430微控制器內部沒有實時時鐘(Real Time Clock, RTC)外設模塊[8]，因此為了不占用其他程序執行時間并盡可能降低功耗，本設計通過外接32.768 KHz晶振，并通過單片機內部分頻后，產生滴答時鐘信號作為定時器計數脈沖，將定時器設定為每經過一秒鐘便進入一次定時器中斷，處理中斷程序。土壤溫濕度采樣部分也是基于該定時器中斷進行判斷和處理。主程序流程圖如圖10所示。

圖10　主程序流程圖

4　測試結果

系統測試主要是對太陽能MPPT充電系統的測試。電池空載電壓12.95 V，系統靜態工作電流為27 mA，此時對應蓄電池恒壓充電過程。MPPT充電點設置為14.7 V。當太陽能板帶載電壓高于15.4 V時開始為電池充電。此階段隨著太陽能板提供電流的增大，電流與電壓均平緩上升。當電壓增大到16.5 V時，達到恒壓充電點。隨著太陽能板電流的增大，電壓不再增大，電流增速變快，如圖11、圖12所示。

太陽能板充電效率隨著太陽能電流的增大呈上升趨勢，效率在70%～80%之間，如圖13所示。滿足系統供電需求。實際測試顯示，當電池充滿電情況下可以正常運行120天。

圖11　太陽能充電曲線

圖12　太陽能充電時間曲線及充電效率曲線

圖13　太陽能充電效率曲線

5　結論

由測試結果可知，本設計可在長時間無外加電源的情況下運轉且工作性能穩定。太陽能供電效果良好，充電效率高，蓄電池存儲電能能力強，能夠滿足系統在弱光或無光照條件下連續工作較長時間的要求，避免系統在連續陰雨天氣因電量不足死機、關機的情況。

[1] CN3722, 具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能的5A多類型電池充電管理集成電路技術規格書 [DB/OL]. (2016-01-xx)[2016-04-19]http://www.consonance-elec.com/pdf/技術說明書/DSC-CN3722.pdf.

[2] 黃培.獨立光伏智能控制系統的設計[J].電氣應用,2015(6):96-100.

[3] MSP430G2x53, MSP430G2x13 mixed signal microcontroller datasheet [DB/OL]. (2012-08-xx)[2016-04-19]http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430g2553.pdf.

[4] INA282, -14 V to +80V, Bi-Directional, High Accuracy, Low-or High-Side, Voltage Output Current Shunt Monitor datasheet [DB/OL]. (2011-08-xx)[2016-04-19]http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina282.pdf.

[5] XL6019, 220 KHz 60V 5A Switching Current Boost/Buck-Boost/Inverting DC/DC Converter datasheet [DB/OL]. (2014-12-xx)[2016-04-19]http://www.xlsemi.com/datasheet/XL6019%20datasheet-English.pdf.

[6] 田育民. 超薄顯示屏OLED在陀螺經緯儀中的應用[J]. 電子技術應用, 2006, 32(3):139-141.

[7] 李松濤, 周成虎, 尹清爽. 基于CC2530的無線土壤水分傳感器節點設計[J]. 微型機與應用, 2015,34(20):21-24.

[8] 盛慶華, 祝司偉, 盧昱丞. 基于微功耗技術的太陽能時碼接收器設計[J]. 杭州電子科技大學學報(自然科學版), 2015, 35(5):7-11.

Plants automatic networking care system suitable for balcony agriculture

Feng Shu，Sheng Qinghua，Chen Jie，Zhang Naicong

(School of Electronic Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

Lack of sunlight, humidity and other requirement may cause plant growth problems. This system is designed mainly for agriculture balcony particularity and current home grown plants to solve the problem. Soil temperature and humidity sensors are used to collect soil moisture achieving automatic replenishment and light and shade treatment. Camera combined router is used to link remote plant care system via WLAN networks. With collection and storage of solar energy, we can keep the system out of the city power, which can ensure the system’s safety and be good at energy saving and environmental protection. The test results show that the system can be automatically and accurately fill light and water based on the data of soil temperature and humidity. Plant image can be sent from the camera to the computer via WLAN. You can track the maximum power point of solar energy in order to ensure the efficient collection and storage to ensure continuous power supply in rainy weather.

balcony agriculture; solar energy; energy harvesting; MPPT; network-control

2014年國家級大學生創新創業訓練項目(GJ201410336004)

TN874+.1

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.010

2016-04-19)

馮澍(1994-)，男，本科生，主要研究方向：能量采集、無線傳輸。

盛慶華(1978-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：電子系統集成，能量收集。

陳潔(1994-)，女，本科生，主要研究方向：能量收集。