基于ARM的溫室大棚智能系統的設計

廣東理工學院 任 瑾 吳 瓊 徐殿雙

基于ARM的溫室大棚智能系統的設計

廣東理工學院 任 瑾 吳 瓊 徐殿雙

以加快我國農業現代化發展進程為目的，提出了一種低成本高性能的智能溫室控制系統。系統主要包括數據采集單元和控制單元兩部分，以STM32為核心控制器，對溫室大棚中的空氣溫濕度、光照、CO2濃度等環境參數進行監控的同時，通過模糊控制算法對溫室內的調控設備進行控制，進而建立保證一個適合農作物生長的最佳環境。通過反復實驗表明，該系統可靠性高，擴展性強，可滿足農業上對溫室大棚監控系統的要求，有助于降低農民勞動量和提高作物產量。

智能溫室控制系統；STM32；環境檢測；模糊控制

0 引言

眾所周知在我國傳統農業生產效率相對較低且受自然環境影響大，而今隨著經濟的快速發展，工業和住房用的增多使得耕地面積逐年減少。為了提高農作物的單位面積產量，人們先是利用了溫室大棚，它的出現對農業的發展起到了質的飛躍，而今科學技術的高速發展，人們將高科技應用于農業生產，更有利于我國的農業向現代化發展的進程。農作物在大棚中的生長除了與自身的遺傳特性有關外，還與棚內空氣的溫濕度、二氧化碳濃度、光強、土壤濕度等因素有著密不可分的聯系。如何利用科學技術手段創造一個適合農作物生長的最佳環境顯得尤為重要，在經過大量的研究對比發現，大部分果蔬類作物而言，一般白天適宜生長的溫度為23～28度，夜間為10～18度[1]，空氣相對濕度一般在50%～85為宜[2]，在此范圍內最有利于作物生長，此外光照強度、CO2濃度和土壤的濕度也都直接或間接的影響到農作物的光合作用。

本文提出的智能溫室控制系統集計算機控制技術，傳感技術，通信技術，農業技術等為一體，按照農作物的生長規律，根據棚內環境參數的變化隨時對溫室進行調節控制策略，達到最有利于農作物生長的最佳狀態，以提高單位面積農產量的目的[3]。

1 系統的總體結構

系統主要包括數據采集單元和控制單元兩大部分，其中以STM32為核心控制器進行控制，數據采集部分以IAP15F2K611S2為主，將檢測到的數據上傳給STM32后，經過調控設備單元對溫室內的光照補償燈、CO2發生器等執行機構進行控制。系統采用模糊控制方法對溫濕度進行調節，通過設置光照強度的上下限來調節光強，當外界弱光時可打開補償燈進行補光，否則打開遮陽網，進而保證光強的最佳范圍；利用液態CO2發生器通過控制繼電器實現濃度調節；采用膜下滴灌技術通過電磁閥控制土壤的濕度和營養調節[4]。本文設計的溫室大棚智能控制系統將模糊控制、專家知識等智能決策與傳統的反饋控制相結合，實現對溫室環境參數的智能調節[5]。

2 硬件組成

系統的硬件主要包括數據單元和控制單元兩部分，數據單元主要完成空氣的溫濕度檢測、土壤濕度、光強等環境數據的采集，而后送給控制單元；控制單元負責數據顯示、控制、參數設定等功能。

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，人機交互模塊采用的是HYW240128ALCD液晶顯示屏,鍵盤模塊選用獨立式接口模式共6個按鍵，用以數據閥值得設定和控制模式的選取；通信模塊根據現場所處環境等綜合因素選用的是RS485通信。因為人機交互模塊和通信模塊電路比較通用，本文在此不進行闡述。系統控制的輸出單元是執行機構，執行機構有光補燈（220VAC控制）、CO2發生器（220VAC控制）、水肥控制閥（24VDC控制）等。當檢測到的數據送入處理器中后，處理器將其與預先設定好的值進行對比再根據軟件控制規則，發出相應控制的開關量信號。本文以控水閥模塊為例，其電路如圖2所示，控制器通過PE11引腳發出開關信號，當PE11=0時，光敏三極管導通，繼電器吸合，控水閥門打開，反之關閉。

圖1 控制單元的硬件框圖

圖2 控水閥模塊電路

2.2 數據單元模塊

數據單元的框圖如圖3所示，采用IAP15F2K61S2芯片為主，完成對空氣的溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光強的檢測。系統對空氣溫濕度檢測模塊選用的是DHT11復合型數字傳感器與IAP15的P0.0口連接；針對棚內光強特點，光強采集模塊選擇的是數字光模塊GY-30，雙串口數據線與P0.3和P0.4口連接,設計中ADDR端接地，芯片地址配為0x46；CO2濃度檢測選用TGS4161模塊，輸出的模擬信號連接P1.3引腳,其電壓范圍為0～2V，無需調理電路可直接與AD連接；土壤濕度檢測模塊采用的是YGC-TS系列傳感器，采用駐波原理的土壤含水率測量方法，得到的是土壤真實水分含量[6]。電路中為了減少干擾與LM358連接，它相當于電壓跟隨器，傳感器輸出的信號經過它后送給控制器中的ADC引腳進行模數轉換。采集單元模塊的部分電路圖如圖4所示。

圖3 數據采集單元的框圖

圖4 采集單元模塊的部分電路

圖5 主程序流程圖

3 系統軟件設計

主程序是整個軟件的關鍵部分，其框圖如圖5所示，系統初始化后將系統的調控設備關閉，主程序進入不斷往復循環,用于完成按鍵的掃描、數據的傳送、超限控制、上下限報警等功能。主程序中超限控制包括模糊邏輯控制和開關量控制兩種，本設計中空氣溫濕度根據模糊控制，通過查詢模糊邏輯表進行調節；而土壤濕度、CO2濃度和光強度采用開關量控制方式，當某一參數越限時，系統發出一個數字信號經過光耦隔離和信號驅動放大電路控制相應的調控設備開關，調節改變該參數的執行機構動作[7]。

設計中采用的模糊控制的優點是無需建模，是處理大慣性系統問題時的首選且簡單有效。它把人工控制經驗總結成一定的規律，對其模糊數學定量化，從而實現智能控制[8]，其部分推理流圖如圖6所示：

圖6 模糊推理系統流圖

首先將采集到的數值與設定值對比，計算偏差е和偏差變化率Δe，然后判斷他們是否超出了系統所設定的基本論域范圍，大于上限則稱為為上限值，小于下限稱為下限值，在其范圍內時進行下一步處理。進行模糊化處理前需將這兩個值量化，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 大棚內外溫度變化折線圖

圖8 大棚內外濕度變化折線圖

4 實驗結果與展望

在實驗室搭建智能控制系統，分別對軟硬件進行調試，經反復調試無誤后，在溫室中進行安裝，現場測試。因為在溫室當中溫度和濕度這兩項是主要參數，所以本文以棚內外溫濕度進行對比測試驗證系統的準確性。 系統測試時間為早7點到下午19點，設定最佳溫度為23度，濕度為65%RH。每隔一小時測試一次。其溫濕度對比折線圖如圖7和8所示。通過圖7和圖8可直觀的看出大棚內空氣溫濕度的變化平緩，溫濕度數值能夠穩定保持在作物最佳生長范圍內。因此，控制系統能夠實現對主要環境參數的調控，基本達到了設計要求。溫室大棚系統是一個相對復雜的控制系統，集合了多種技術于一體，因為外在因素限制及個人經驗的缺失，系統仍存在不足，比如還不能進行無線數據通信，不足之處還須要進一步完善研究。

[1]孫環,劉捷,李裕.設施農業的溫室環境調控問題分析與研究機[J].湖南農機:學術版,2012(3):45-46.

[2]魏亭,楊盛泉,劉白林.基于RS485總線的溫室大棚集散控制系統的研究與設計[J].西安工業大學學報,2013,33(9):706-711.

[3]王振寒.蔬菜溫室大棚智能控制系統的設計[J].消費電子,2013(16): 100-100.

[4]楊國成.摸下膜下滴灌節水技術的應用和意義[J].農業科技與信息,2012(21):33-34.

[5]王振宇,成立.基于模糊控制的溫室調節裝置的研究[J].浙江大學學報:農業與生命科學版,2013,32(2):195-199.

[6]徐立鴻,蘇遠平,梁毓明.面向控制的溫室系小氣候環境模型要求與現狀[J].農業工程學報,2013,29(19):1-15

[7]李化,劉長化,王寐.模糊控制在室溫控制中的應用[J].遼寧工業大學學報自然科學版,2014,30(1):60-63.

[8]孫靜.基于模糊控制的智能灌滿系統的研究[D].山東大學,2014.

[9]錢稷,周娟,張廣華.基于模糊控制的溫室內土壤濕度智能監控系統設計[J].農業工程學報,2015,34(5):121-126.

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，遼寧朝陽人，碩士研究生，主要研究方向：計算機測控技術、電氣自動化技術。

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

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