低成本模塊化通用棚采集控制器設計

常永新 譚峰 徐帥 顏子翔 郭子棟 卞振宇

摘? 要：為大棚種植戶提供高質量低成本的模塊化通用棚采集控制器，能解決市場上對大棚信息采集麻煩、設備復雜、操作麻煩等且需要大量進口的需求難題。文章以STM32芯片為主控芯片，485溫濕度傳感器，土壤水分傳感器來檢測農作物的生長狀況，通過繼電器輸出控制棚室的溫濕度。采用GMS通信，具有外接顯示屏，還可以遠程通過手機讀取大棚的實時信息，讓大棚種植更加的智能化，本系統操作簡單，體積較小，可以外接多種485的傳感器，實現多種功能，具有待機和工作兩種狀態，耗電量小，提高種植戶的生產效率。

關鍵詞：模塊化;STM32;傳感器;GMS通信;耗電量

中圖分類號：TP273.5? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）33-0026-03

Abstract： The modular general shed acquisition controller with high quality and low cost for greenhouse growers can solve the problem of difficult information collection， complex equipment， difficult operation and a large number of imports in the market. In this paper， STM32 chip is used as the main control chip， 485 temperature and humidity sensor， soil moisture sensor to detect the growth of crops， through the relay output to control the temperature and humidity of the shed. Using GMS communication， with external display screen， but also through the mobile phone to read the real-time information of the greenhouse， so that the greenhouse planting more intelligent， the system is simple to operate， small size， can be connected with a variety of sensors to achieve a variety of functions. It has two states of standby and work， low power consumption， and improves the production efficiency of growers.Keywords： modularization; STM32; sensor; GMS communication; power consumption

隨著社會不斷進步，傳統的農業生產模式已經不能滿足現代文明發展的需要，新型的設施農業受到業界人士的追捧。其中，大棚在現代設施農業發展中具有重大意義，它在提供反季節蔬菜、縮短農作物生長周期，以及大幅度提高農作物的成活率等方面起到了巨大作用。由于建造成本的因素，其中塑料大棚仍舊占據著主體地位，研究表明：大棚內空氣濕度過大，不僅直接影響蔬菜的光合作用和對礦質營養的吸收，而且還有利于病菌孢子的發芽和侵染。因此，要進行通風換氣，促進棚內高濕空氣與外界低濕空氣相交換，可以有效地降低棚內的相對濕度。所以，在溫室大棚作物生產過程中，由于棚內種植作物對環境的需求，實時采集棚內環境溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度、土壤水分、土壤溫度等參數并利用通風卷簾、微噴電磁閥、濕簾、風機等控制棚內溫濕度及二氧化碳濃度對提高現代棚室種植質量具有重要意義。

而當前棚室日常管理控制多數采用人工方式，人工管理模式不但費時費力，人為調控溫室的溫度、濕度等環境因素會有很大的波動幅度，輕者減少棚室的產量，重則造成絕收。少數政府主導的示范類項目采用棚室采集監控系統，但由于當前棚室類型眾多，不同棚室采集的環境參數和控制需求有所差異，導致現在關于棚室監控系統多為針對某類型棚室專門開發，不具有可移植性，一般農戶對棚室參數采集監控設備雖然有需求，但由于價格偏高，使得農戶難以接受，故當前亟需開發一種低成本模塊化通用棚采集控制器，實現對不同棚的通用性和低成本性考慮，設計一款普通農戶價格上可接受、操控容易的通用型大棚采集控制器，通過采集控制，從而使得作物生長的環境最優，達到農作物增產農民增收的目的。

1系統設計

基于STM32的模塊化通用棚采集控制器主要實現大棚室內環境的監測，將大棚內環境數據進行遠程實時在線監測、顯示等功能。根據傳回來的數據可以對大棚內的設備進行智能控制，改變大棚內部的環境，同時根據顯示的數據用戶可以對大棚內的設備進行控制，改變大棚內部的溫濕度，提高作物的生長效率。

低成本的模塊化通用棚采集控制器主要由農田信息采集模塊、GSM數據傳輸模塊、電源模塊、光耦隔離模塊、繼電器控制模塊五部分組成，主要功能如圖1所示。

通過信息采集系統實時將土壤濕度、棚內溫度等信號經傳感器采集到STM32，采集回的數據會顯示在LCD1602上供用戶實時讀取，同時智能控制繼電器打開關閉大棚窗口，同時將信息通過GMS模塊傳輸到上位機顯示，讓農戶可以遠程操控。

2 單元電路設計

2.1 控制系統設計

STM32F103RC是一種高性能、低價格的處理芯片，用它作為系統的主控芯片，功能強大，外部設備配置豐富，適合實時多通道數據采樣與處理。本系統所用的STM32最小系統包括系統外部震蕩器，JTAG接口電路，電源電路，上電復位電路。

2.2 電源設計

系統采用220V供電，通過變壓器連接到接線柱上，使用兩個LM7805將12V轉5V供電，使用TPS7333將5V轉3.3V為微控制器提供電源。在電源模塊輸入與輸出端添加濾波電容減小輸出與輸入電壓的波動，輸入端加二極管作反接保護。

2.3 光耦隔離模塊

TLP521是廣泛運用在測量儀器、家用電器中的可控制的光耦合器件，功耗150mW，隔離電壓為2500Vrms，可增強電路的安全性，減小電壓的干擾。通過該隔離芯片將STM32的I/O口與繼電器進行隔離。

2.4 通訊模塊

RS-485接口最大傳輸距離可達3000米，在總線上是允許連接多達128個收發器。應用RS-485可以聯網構成分布式系統。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長傳輸距離和多站能力等上述優點使其成為首選的串行接口。本系統將在大棚中實現自動控制，環境中干擾因素較多，傳輸距離較遠，外設較多，故采用485通訊，在核心板上設置了485芯片作為數據通訊的接口。

2.5 顯示模塊

本產品為了節約功耗故采用LCD1602作為顯示，雖然該模塊顯示內容不豐富，但是對于大棚控制中的溫度濕度的簡單顯示已經完全足夠了。

3 系統軟件設計

控制器控制傳感器采集、處理、通過GMS發送到上位機、在LCD1602中顯示出來。圖3為系統主程序流程圖。

4 結論

低成本模塊化通用棚采集器實現了對大棚內空氣溫濕度，土壤的溫濕度等信息的遠程實時在線監測、分析等功能，并且能智能調節大棚內的環境溫度，同時還可以被農戶手動改變。通過連續運行，沒有出現問題，數據可以正確的采集。本系統的硬件設計合理，軟件運行穩定，經過測試，數據采集正確，傳輸穩定。

參考文獻：

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