植物生長環境測控系統設計*

鄒豐謙， 邱成軍

(黑龍江大學 電子工程學院,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

以物聯網、云計算、大數據等為代表的新一代信息技術已廣泛應用于各種農業領域。國外開發了一種基于跨平臺移動地理信息系統(geographic information system,GIS)的便攜式農業信息采集系統，可以捕獲農田全球定位系統(global positioning system,GPS)坐標、農業屬性數據、圖像信息，并即時由G網絡或通用分組無線業務(general packet radio service,GPRS)網絡將其發送到監控系統，實現了植物環境信息的采集、定位。野外培育植物存在需要大量的人力來管理導致成本提高問題，往往需要遠程無線操作；農作物一般生長在野外，受限于地域電力資源差異，系統供電問題就很難解決。本文提出了一種基于太陽能供電的植物環境測控系統。該系統基于STM32單片機，可以完成植物環境的監測和自動控制，應用太陽能電池板自動跟蹤太陽光儲能供電，具有較高光能轉換效率，解決了野外供電困難的問題[1]。

1 植物生長環境測控系統的設計

1.1 系統總體設計方案

本系統的設計目標是實現植物環境的監測和自動控制，同時解決野外供電問題。而植物環境的監測和自動控制，其實就是對土壤環境的溫濕度及光強進行實時監測與管理；戶外供電問題可利用太陽能為電池充電實現。針對這一目標，本系統可以分為兩大部分：太陽能供電模塊設計和土壤環境管控模塊。圖1為系統的整體結構框圖。

圖1 系統整體結構框圖

1.2 基于STM32的土壤環境監測模塊

1.2.1 溫濕度光強傳感信息采集

系統實現了對作物周圍空氣溫濕度、光照強度、土壤溫度、土壤含水量等多參數信息的測量，LCD1602作為顯示器輸出信息。測量參數的基本要求[2]為:氣溫度測量范圍為-0～50 ℃，準確度為±3.0 %；空氣濕度測量范圍0 %～99 %RH，準確度為±5.5 %RH(25 ℃);土壤溫度測量范圍為-0～50 ℃，準確度為±2.5 %；土壤濕度測量范圍為0 %～99 %RH，準確度為±5.5 %(25 ℃)；光強測量范圍為50～40 000Lx,準確度為±3.5 %。

濕敏電容式數字傳感器AM2302用于收集溫度和濕度。溫度測量范圍為-40～80 ℃，分辨率為0.1 ℃，精度為±0.5 ℃;濕度測量范圍為0 %～99 %RH，分辨率為0.1 %RH，精度為±2 %RH(25 ℃溫度)[3]。GY—30數字式光強度傳感器用于采集光強度，測量范圍為0～65 535 Lx。

使用SMET—2的傳感器測量土壤溫濕度。SMET—2傳感器是一種基于介電技術理論的土壤性能傳感器，它采用雙頻技術，設置土壤溫濕度，具有濕度補償、溫度補償算法，可通過RS—485接口與微控制器連接濕度測量范圍為20 %～90 %RH,溫度測量范圍為-40～85 ℃，濕度測量準確度±3 %(0 %～53 %)±5 %，溫度測量準確度小于0.3 ℃[4～6]。

選擇光照傳感器對光照強度進行檢測。該傳感器在光強達不到設定閾值時，DO口輸出高電平；當外界環境光強超過設定閾值時，DO輸出低電平。

1.2.2 全球移動通信系統短信控制電路

農業領域常用的通信方式主要是基于GSM，GPRS，碼分多址(code division multiple access,CDMA)等通信的手機網絡，具有傳輸距離遠、實時性強等特點[9]。

本系統選擇SIM800A模塊實現對系統的遠程短信信息交互操作。其工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以低功耗實現語音、短訊服務(short messaging service,SMS)和數據信息的傳輸。圖2為GSM短信控制電路設計。

圖2 GSM短信控制電路設計

1.2.3 發光二極管補光電路設計

研究發現，植物光合作用需要的光線其波長在400～700 nm左右,其中400～500 nm(藍色)的光線以及610～720 nm(紅色)對于光合作用貢獻最大。為提高光合作用效率，本系統選用對植物光合作用利用效率最高的高亮LED進行紅藍色交替補光。土壤環境監測控制模塊軟件設計流程如圖3所示。

圖3 土壤環境監測調理模塊程序流程

1.3 太陽能充電模塊

1.3.1 步進電機驅動電路設計

具有自動太陽光跟蹤功能的太陽能供電模塊選擇型號為28BYJ—48的4相5線5 V的步進電機，由于單片機的驅動能力弱，所以還需要通過ULN2003來驅動步進電機。可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器處理數據[10]。光照強度對比追蹤模式將光信號轉換為電信號，并以A/D轉換芯片轉換成數字信號。光強差決定步進電機旋轉方向，控制太陽能電池板自動追光。系統通過對光照強度等參數進行對比分析，確定參數設置。圖4為步進電機驅動電路。

圖4 步進電機驅動電路設計

1.3.2 太陽能電池充電模塊硬件設計

充電模塊主要由一塊工業級太陽能電池板、后端穩壓限流電路和鋰電池組成，太陽能電池后端穩壓限流電路主要采用升降壓芯片作為主要控制器，外置60V/75A MOS管作為開關管，雙60V/5A SS56作為整流模塊，性能優于市面上XL6009/LM2577穩壓限流方案。采用4節18 650可充電鋰電池，額定電壓為3.7 V，每個電池容量為2 500 mA·h。電源模塊具備短路保護及輸出電壓電流寬限調節功能。本系統采用短路電流為250 mA太陽能電池板為系統充電，滿足系統供電需求。

2 系統硬件測試與誤差評估

2.1 系統硬件測試實驗

實驗對象：太陽能供電植物環境監測系統，以MARK1.0命名，具有實現對土壤環境溫濕度監測、自動澆水、自動補光以及GSM短信遠程控制等功能且系統中太陽能電池板具有自動跟蹤太陽光功能。本文為系統制作了一個模型封裝結構，如圖5所示。

圖5 太陽能供電植物環境監測系統整體結構

設定當土壤環境相對濕度低于35 %RH的時候進行自動補水，光照傳感器檢測環境中光強低于設定閾值時進行自動補光，采用手擋住光照傳感器進行模擬測試。如圖6所示。經過對本系統進行短信遙控通信測試，短信控制相關指令操作及反饋信息是：發送“get”獲得當前土壤環境的溫濕度；發送“jiaoshui”執行澆水操作并且回復“OK!”；發送“buguang”執行補光操作并且回復“OK!”。

圖6 自動補水、補光測試

2.2 系統軟件測試實驗

在實驗環境中，系統連續運行超過48 h，測量結果每2 h記錄1次。 土壤溫度濕度采集誤差測試曲線如圖7所示，為AR837數字溫濕度儀的隨機連續25次實驗溫濕度結果：溫度最大絕對誤差為+2.0 ℃平均相對誤差為3.56 %，R為0.975 6；濕度最大絕對誤差為-4 %RH平均相對誤差為5.52 %，R為0.998 0。

圖7 溫濕度采集測試

最小線性相關系數R為0.9756，表明MARK1.0與其他常用單功能測量儀器的實驗結果之間存在高度線性相關。通過計算最大絕對誤差和平均相對誤差，土壤溫度濕度測量結果符合要求，其自動控制精度滿足農業生產應用需求，能更好完善植物環境監測技術。

3 結 論

本文設計的系統具有較高的人機交互控制響應速度及植物環境信息采集精度，其光能利用效率的提升可極大促進野外農業生產質量、產量的雙提高，降低了人工操作及管理難度。最終實現較好功能性能指標，完成了匹配實際生產實踐的更高價值目標。