智慧大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張順鋒，溫宗周，田強(qiáng)明，張陽(yáng)陽(yáng)

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710600）

1 引 言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)意義重大，而水資源是農(nóng)業(yè)的命脈[1]。我國(guó)作為缺水國(guó)之一，對(duì)水資源的充分利用就顯得尤為重要，但傳統(tǒng)的灌溉方式對(duì)水資源造成了極大的浪費(fèi)。《“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》中指出“充分發(fā)揮科技對(duì)加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)、促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐引領(lǐng)作用”，因此發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)響應(yīng)了國(guó)家科技發(fā)展的號(hào)召，既可實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源的目標(biāo)，又可促進(jìn)現(xiàn)代化、智能化農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展，這對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于我國(guó)國(guó)情，融合物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、傳感器、智能控制和無(wú)線通信等技術(shù)，開發(fā)出一套基于STM32的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，該系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)模型，包括農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層[3]。其中，感知層通過(guò)傳感器采集大棚內(nèi)土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2 濃度等環(huán)境因子，將采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心站，然后通過(guò)應(yīng)用層的計(jì)算分析得到控制指令并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸層發(fā)送給感控層來(lái)控制繼電器、電磁閥、電機(jī)、燈等，從而調(diào)節(jié)大棚環(huán)境（土壤濕度、溫度、CO2含量等），使作物生長(zhǎng)在適宜的環(huán)境，有利于提高產(chǎn)量[4]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主控模塊采用的是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。太陽(yáng)能輸出電壓為12V，并將其存儲(chǔ)在電池上，最后將12V 電壓通過(guò)5V 轉(zhuǎn)變和3.3V 轉(zhuǎn)變后供給微處理器。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的供電電源，太陽(yáng)能板給蓄電池充滿電后可用20 天以上，成本低，可靠性高。其中12V 轉(zhuǎn)5V 電壓芯片選用LM78M05 芯片，5V 轉(zhuǎn) 3.3V 電壓芯片選用LM1117 芯片，其電路圖如圖2 所示。此兩種芯片是穩(wěn)定性良好且高效、低功耗的電壓轉(zhuǎn)換芯片。LM78M05 是一款輸入5～15V、輸出電壓5V、電流大于0.5A 的芯片，內(nèi)部采用三端陽(yáng)極穩(wěn)壓器，使芯片具有限流、熱關(guān)斷、安全保護(hù)的功能，可以不受輸出超載的損害。LM1117-3.3是一款輸入直流電壓5～15V，輸出電壓3.3V、電流大于0.5A 的電壓轉(zhuǎn)換芯片，在此用于將5V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3V 電壓供給微處理器。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路

3.2 傳感器模塊

本設(shè)計(jì)主要用到的傳感器包括土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、流量傳感器等。

其中，土壤溫濕度傳感器選用TDR- 6，其測(cè)量土壤濕度的原理是利用高頻電子技術(shù)制造的高精度、高靈敏度的測(cè)量土壤水分的傳感器，來(lái)測(cè)定田間土壤的介電常數(shù)，用來(lái)反映土壤的水分含量[5]。輸出的是電壓信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得到土壤含水率。土壤濕度傳感器可與數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，將數(shù)據(jù)傳送給MCU，以供后續(xù)使用。其具有測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快、耐腐蝕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)國(guó)情，便于推廣使用。

3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

上述土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器均采用RS485 通信方式。RS485 總線傳輸數(shù)據(jù)方便，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的連接。以UART2 RS485 為例，通信接口電路如圖3 所示。又因?yàn)橄到y(tǒng)工作在戶外，容易受雷電天氣的影響，因此加入放電管、保險(xiǎn)絲等對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。

圖3 RS485 數(shù)據(jù)采集電路

3.4 LoRa無(wú)線通信模塊

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）是近年來(lái)問(wèn)世的一種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù), 具有通信距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性高和功耗低等特點(diǎn)，LoRa 正是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[6]。LoRa可以自主在免費(fèi)頻段搭建網(wǎng)絡(luò), 具有功耗低、抗干擾性能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。此處采用的LoRa 模塊是S32-TTL-100，連線情況如圖4 所示。它是一款433MHz、100mW，具有高穩(wěn)定性的工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用射頻芯片SX1278 設(shè)計(jì)開發(fā)，通過(guò)LoRa 擴(kuò)頻調(diào)制和TTL 電平輸出，大大提高模塊的抗干擾能力，獲得很高的穩(wěn)定性。模塊有四種工作狀態(tài)，可在運(yùn)行時(shí)自由切換。在省電工作狀態(tài)下，消耗電流極低，非常適合超低功耗應(yīng)用。

圖4 S32-TTL-100 接線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 RS485信息采集軟件設(shè)計(jì)

此處使用RS485 總線通信的傳感器有土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器，此類傳感器都遵循ModBus 協(xié)議[7]。傳感器與灌溉控制終端間的數(shù)據(jù)按幀來(lái)傳送，有命令幀，應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀3 種幀結(jié)構(gòu)。

以土壤溫濕度傳感器為例，灌溉控制終端向傳感器發(fā)送命令幀，通過(guò)命令字來(lái)區(qū)分溫度、濕度。首先主機(jī)向傳感器發(fā)送命令幀，若應(yīng)答幀正確，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若正確則對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，得到數(shù)據(jù)內(nèi)容。土壤墑情傳感器軟件設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

圖5 RS485 數(shù)據(jù)采集流程圖

4.2 流量傳感器軟件設(shè)計(jì)

流量傳感器屬于脈沖/中斷接口傳感器，此類傳感器輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，信號(hào)通過(guò)光電耦合器接入RTU 中，MCU 通過(guò)監(jiān)測(cè)脈沖的下降沿信號(hào)產(chǎn)生中斷，然后在中斷服務(wù)程序中計(jì)數(shù)。本設(shè)計(jì)中流量傳感器采用0.1m3分辨率的傳感器。

流量傳感器軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。首先進(jìn)行初始化，初始化完成后配置參數(shù)，包括傳感器地址和存儲(chǔ)地址等。然后等待中斷的產(chǎn)生，當(dāng)有水流過(guò)傳感器時(shí)，傳感器磁盤指針開始計(jì)數(shù)，當(dāng)流經(jīng)水量到達(dá)0.1m3時(shí)傳感器引出線導(dǎo)通產(chǎn)生下降沿中斷，MCU在中斷服務(wù)函數(shù)中對(duì)流量計(jì)數(shù)單元進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)將計(jì)數(shù)值存入EEPROM 中保存，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心站對(duì)用戶余額進(jìn)行相應(yīng)的扣除。

圖6 流量采集流程圖

4.3 繼電器

繼電器控制軟件流程是首先對(duì)控制方式進(jìn)行判斷。在自動(dòng)灌溉模式下，等待智能灌溉模塊的決策。智能灌溉模塊發(fā)出控制命令后，繼電器執(zhí)行相應(yīng)的操作。手動(dòng)模式時(shí)，用戶需要按下控制器面板上的按鈕，或者通過(guò)客戶端進(jìn)行手動(dòng)操作，然后繼電器執(zhí)行相應(yīng)的灌溉操作，最后記錄并保存用戶的操作情況以及繼電器的工作狀態(tài)，上傳至中心站[8]。此外，繼電器還用來(lái)控制電機(jī)、開關(guān)等設(shè)備。

5 安裝與調(diào)試

首先對(duì)電路板進(jìn)行測(cè)試，檢查各元器件的擺放是否正確，如二極管、電解電容極性是否放反，檢查電路有無(wú)虛焊、漏焊等情況。確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行供電，觀察是否有異味、是否發(fā)熱異常等。在排除異常情況的存在后，進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，如各個(gè)模塊的接電電壓是否正常，確認(rèn)電壓正常后加輸入輸出信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。

將如圖7 所示的手持設(shè)備與智能控制終端連接，首先對(duì)RS485 通信進(jìn)行調(diào)試，查看是否能讀取到相關(guān)的土壤溫濕度、空氣溫濕度等數(shù)據(jù)，若無(wú)接收數(shù)據(jù)，則先后對(duì)相應(yīng)傳感器硬件、軟件進(jìn)行排查。通過(guò)測(cè)試，手持設(shè)備能正常讀取各傳感器數(shù)據(jù)。最后用手持設(shè)備對(duì)控制終端編號(hào)、種植作物類型、種植時(shí)間等進(jìn)行設(shè)定。

圖7 手持設(shè)備實(shí)物圖

控制模塊的測(cè)試主要分為手動(dòng)人工控制和遠(yuǎn)程控制。首先進(jìn)行人工控制測(cè)試，在控制終端面板上，將控制方式開關(guān)打到現(xiàn)地模式，然后分別對(duì)閥1 和閥2 進(jìn)行測(cè)試。將開關(guān)打到開，看電磁閥是否運(yùn)作，有無(wú)出水，開關(guān)狀態(tài)與出水狀態(tài)是否一致，若相反，對(duì)相應(yīng)接線進(jìn)行調(diào)整。然后在服務(wù)器端進(jìn)行手動(dòng)召測(cè)調(diào)試，遠(yuǎn)程控制電磁閥開關(guān)。通過(guò)測(cè)試，人工控制和遠(yuǎn)程控制均正常，可以完成控制任務(wù)。

在楊凌職業(yè)農(nóng)民創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園對(duì)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行安裝，實(shí)地安裝的現(xiàn)場(chǎng)情況及服務(wù)器操作界面如圖8 所示。

圖8 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)地安裝及服務(wù)器操作界面

6 結(jié)束語(yǔ)

以STM32F103 微控制器為核心，結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智慧大棚控制系統(tǒng)，可工作在自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和遠(yuǎn)程控制方式下，大大節(jié)約了人力和財(cái)力。進(jìn)而根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行灌溉決策，可以提高水的利用率，有利于節(jié)約水資源和使作物生長(zhǎng)在最佳狀態(tài)，提高產(chǎn)量。