基于傳感網(wǎng)的智能溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張兆鶴

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730106）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，溫室大棚是非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在信息化技術(shù)的強(qiáng)勢(shì)推動(dòng)下，溫室智能化控制已成為一種時(shí)代潮流。通過文獻(xiàn)資料及研究成果梳理與總結(jié)發(fā)現(xiàn)，以荷蘭、日本等為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家在很早就掌握了先進(jìn)且成熟的溫室工程技術(shù)，不僅農(nóng)業(yè)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，而且綜合環(huán)境管理水平也普遍較高，所以農(nóng)作物產(chǎn)量一直穩(wěn)定增長(zhǎng)。

縱觀我國(guó)，大部分溫室仍采用傳統(tǒng)操控方式，不僅未形成標(biāo)準(zhǔn)且完善的制度體系，而且生產(chǎn)效率也比較低下。即便市場(chǎng)上推出了一些智能溫控系統(tǒng)，受限于高昂價(jià)格未實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步推廣與應(yīng)用，導(dǎo)致當(dāng)前的控制水平和配套設(shè)施無法切實(shí)滿足生產(chǎn)需求。對(duì)此，我國(guó)先后多次引入西方先進(jìn)技術(shù)，但由于國(guó)情及環(huán)境差異，不僅未取得理想效果，還產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)投入。所以，利用現(xiàn)有技術(shù)自主研發(fā)一套控制精準(zhǔn)、運(yùn)行可靠的智能溫室系統(tǒng)就顯得極其重要。

為從源頭上解決上述問題，筆者決定在本課題研究中開發(fā)出一套以STM32為核心的溫室智能控制系統(tǒng)，以溫濕度、光照和二氧化碳作為密切監(jiān)管的環(huán)境參數(shù)，倘若當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)不利于植物生長(zhǎng)，就通過系統(tǒng)調(diào)整打造出適宜植物生長(zhǎng)的積極環(huán)境。由于每種植物的生長(zhǎng)環(huán)境不同，所以需根據(jù)植物生長(zhǎng)習(xí)性設(shè)置預(yù)期的環(huán)境參數(shù)值，即通過上位機(jī)對(duì)環(huán)境變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過閾值設(shè)置實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。由此一來，既能夠提高工作效率，減少人力資源投入，還能確保農(nóng)作物健康、快速生長(zhǎng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

擬定開發(fā)的這套系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，一是上位機(jī)，二是下位機(jī)。就前者來說，它是利用C語言編寫的程序軟件，以用來建立接口，由此便可通過RS232總線與計(jì)算機(jī)保持實(shí)時(shí)交互。它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、開關(guān)控制等；而后者是利用STM32芯片開發(fā)的控制平臺(tái)，通過連接外設(shè)來實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、開關(guān)控制等相關(guān)功能。在此平臺(tái)下，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化、實(shí)時(shí)性控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將當(dāng)前頗受程序人員青睞與認(rèn)可的STM32單片機(jī)作為主控器。實(shí)際上，它集成了多重優(yōu)勢(shì)為一身，不僅數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，而且還提供了大量接口資源，可輕松實(shí)現(xiàn)功能拓展、維護(hù)升級(jí)。仔細(xì)觀察下（圖1）可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)按照下述流程進(jìn)行操作：

圖1 總體設(shè)計(jì)流程圖

（1）各大傳感器實(shí)時(shí)收集環(huán)境參數(shù)，并將獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至STM32進(jìn)行處理。

（2）通過觸摸屏對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。當(dāng)溫室現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)與設(shè)置參數(shù)不一致時(shí)，處理器就會(huì)下達(dá)命令要求執(zhí)行器投入工作，比如溫度、CO2濃度、濕度等都可以通過特定開關(guān)元件進(jìn)行調(diào)控，在遇到突發(fā)情況時(shí)，也可基于手動(dòng)模式通過觸摸屏進(jìn)行控制。

（3）STM32處理器將處理的環(huán)境參數(shù)反饋至PC端，主機(jī)軟件就會(huì)將這些數(shù)據(jù)以界面方式來呈現(xiàn)，并繪制出相應(yīng)的變化曲線圖。它通過歷史數(shù)據(jù)分析，觸發(fā)上位機(jī)進(jìn)行溫室參數(shù)設(shè)置，并將該信息反饋到處理器，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器投入運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（4）除新增的功能強(qiáng)化型外設(shè)接口外，STM32互連系列還提供與其它STM32微控制器相同的標(biāo)準(zhǔn)接口，這種外設(shè)共用性提升了整個(gè)產(chǎn)品家族的應(yīng)用靈活性，使開發(fā)人員可以在多個(gè)設(shè)計(jì)中重復(fù)使用同一個(gè)軟件。新STM32的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)12位1-Msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)I2C接口、五個(gè)USART接口和三個(gè)SPI端口。

（5）新系列微控制器還沿續(xù)了低電壓和節(jié)能兩大優(yōu)點(diǎn)。2.0V～3.6V的工作電壓范圍兼容主流的電池技術(shù)，如鋰電池和鎳氫電池，封裝還設(shè)有一個(gè)電池工作模式專用引腳Vbat。以72MHz頻率從閃存執(zhí)行代碼，低功耗模式共有四種，可將電流消耗降至兩微安。從低功耗模式快速啟動(dòng)也同樣節(jié)省電能；啟動(dòng)電路使用STM32內(nèi)部生成的8MHz信號(hào)，將微控制器從停止模式喚醒用時(shí)小于6微秒。

■2.1 傳感器模塊

由于筆者開發(fā)的這套系統(tǒng)以溫濕度、光照、二氧化碳為監(jiān)控對(duì)象，所以專門部署了與各項(xiàng)參數(shù)的相對(duì)應(yīng)傳感器，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的高可靠、高精準(zhǔn)采集，相關(guān)傳感器見（表1）。

表 1 傳感器性能參數(shù)

■2.2 DHT11溫濕度模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。其原理圖見（圖2）。

圖2 溫濕度DHT11

■2.3 晶振電路

晶振電路（圖3）是用來給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的。晶振有兩種其中包含有源晶振與無源晶振，是時(shí)鐘電路中最重要的部件之一，晶振的作用是向IC等部件提供相應(yīng)的基準(zhǔn)頻率。XTAL1是單片機(jī)作為時(shí)鐘電路反向放大器的輸入端，XTAL2是單片機(jī)作為時(shí)鐘電路反向放大器的輸出端，這個(gè)反向放大器是能夠用作片內(nèi)振蕩器的配置而使用的，在這其中石晶振蕩器和陶瓷振蕩器都是可以使用的。當(dāng)我們?cè)趯?shí)際的應(yīng)用中使用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件時(shí)，此時(shí)的XTAL2是需要不接的。而對(duì)于輸入到時(shí)鐘電路內(nèi)部連接的時(shí)鐘信號(hào)，是需要一個(gè)二分頻觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)外部連接時(shí)鐘信號(hào)的脈寬是不需要做什么要求的，但首先是要求脈沖的高低電平與電路所要求得電平是一樣的。

圖3 晶振電路原理圖

■2.4 電源電路

系統(tǒng)的電源電路（圖4）由電源組成，為整個(gè)電路提供電源，使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作。供電電源為直流5V2A。

圖4 電源電路原理圖

■2.5 驅(qū)動(dòng)模塊

MCU是一種低壓輸出，而環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備只有在大電流下才能被驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。因此，該驅(qū)動(dòng)模塊被設(shè)計(jì)為MCU與環(huán)境調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間的中間鏈接，以驅(qū)動(dòng)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，根據(jù)溫室環(huán)境變化做出相應(yīng)調(diào)整。為避免各傳感器間彼此干擾、互相影響，結(jié)合下表2專門構(gòu)建了四路驅(qū)動(dòng)模塊（圖5）。

表2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)

圖5 驅(qū)動(dòng)電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一是計(jì)算機(jī)部件，二是上位機(jī)模塊。就前者來說，它以單片機(jī)為主控器，以完成信號(hào)采集、參數(shù)設(shè)置等相關(guān)操作；而后者主要用來與下位機(jī)保持實(shí)時(shí)通訊與數(shù)據(jù)顯示。

■3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

仔細(xì)觀察下圖6和圖7可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在投入運(yùn)行之前，要先設(shè)置各參數(shù)的上下限值，這是保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的先決條件。該系統(tǒng)支持兩種控制模式，一是主動(dòng)控制，二是手動(dòng)控制。在手動(dòng)模式下，可控制通風(fēng)/擾動(dòng)風(fēng)扇、加濕器等相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在自動(dòng)模式下，完成參數(shù)預(yù)設(shè)后，只要發(fā)現(xiàn)環(huán)境發(fā)生了變化，就立即驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器投入工作，傳感器將捕捉到的數(shù)據(jù)傳送到觸摸屏顯示。出于人性化方面的考慮，將觸摸屏作為交互接口，以實(shí)現(xiàn)控制的靈活性與高效化。此處主要設(shè)計(jì)了4個(gè)友好窗口: 參數(shù)設(shè)置、開關(guān)控制、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和歷史圖表顯示。其中歷史圖標(biāo)主要記錄1d內(nèi)溫室參數(shù)的變化狀況并將其存儲(chǔ)在SD卡以供以后查詢分析。

圖6 主程序流程圖

圖7 數(shù)據(jù)處理流程圖

■3.2 上位主機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

采用經(jīng)典可靠的C語言設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控接口，由此實(shí)現(xiàn)了可視化操作與C++高效集成優(yōu)勢(shì)的深層次融合，相較于Net語言，C語言優(yōu)勢(shì)極其突出，具體表現(xiàn)為代碼效率高、代碼緊湊、容易理解、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等。而且適用范圍廣泛，使用者稍加學(xué)習(xí)就可以輕松的修改和擴(kuò)展代碼。

該界面主要展示了五個(gè)功能區(qū)，一是串行端口選擇區(qū)域，二是參數(shù)控制區(qū)，三是開關(guān)控制區(qū)，四是參數(shù)顯示區(qū)，五是記錄數(shù)據(jù)顯示區(qū)。基于自動(dòng)模式下設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的靈活、實(shí)時(shí)控制。基于手動(dòng)模式下，可自行選擇串行端口號(hào)，也可采取默認(rèn)配置，即波特率9600，無奇偶校驗(yàn)位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。參數(shù)設(shè)置完成后，只需點(diǎn)擊“確定”就能執(zhí)行控制操作。五個(gè)功能區(qū)協(xié)同合作顯示，很好的將各種數(shù)據(jù)顯現(xiàn)出來，讓使用者可以更加直觀清晰的看到測(cè)出的數(shù)據(jù)，大大的提升了實(shí)驗(yàn)效率，加快實(shí)驗(yàn)速度，上位機(jī)界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)軟件界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行仿真分析。在手動(dòng)模式下，利用觸摸屏設(shè)置參數(shù)以保證執(zhí)行器被正常觸發(fā)，并及時(shí)反饋數(shù)據(jù)變化，它能檢驗(yàn)各機(jī)制能否可靠運(yùn)行，而在自動(dòng)模式下可直接投入運(yùn)行。只要正常運(yùn)行就能通過主機(jī)上完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示等操作。

將5s作為數(shù)據(jù)采集反饋的周期點(diǎn)。初始參數(shù)值為:溫度30℃，、濕度30% ，、光照100 lx，CO濃度380μL·L－1。以黃瓜的生長(zhǎng)環(huán)境為目標(biāo)量: 溫度24℃，濕度45% ，光照185lx，CO濃度450μL·L－1。基于自動(dòng)模式下生成環(huán)境因子變化圖，通過圖9可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因子的穩(wěn)定，誤差在可控范圍內(nèi)。

圖9 環(huán)境因子變化折線圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)的功能優(yōu)勢(shì)極其顯著，具體表現(xiàn)為構(gòu)造簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、交互性強(qiáng)等。不僅能密切關(guān)注環(huán)境變化，根據(jù)場(chǎng)景變化做出及時(shí)調(diào)整，還能完整儲(chǔ)存、直觀展示歷史數(shù)據(jù)，并以圖表方式來全面反映數(shù)據(jù)變化，由此能協(xié)助人們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，探索出行之有效的改良方案。經(jīng)反復(fù)多次測(cè)試證實(shí)了本系統(tǒng)的可行性與有效性。智能溫室系統(tǒng)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物，不僅提高了生產(chǎn)效率、減少了成本投入、減輕了工作壓力，還創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)雙重效益。