中藥材光環(huán)境的自動控制系統(tǒng)設計

梁凱　韓睿澤　宋蕾

關鍵詞：藥材；光照；自動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

0 引言

我國已將中醫(yī)藥發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，并對推進中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展做出了系統(tǒng)部署。國家加大了對中醫(yī)藥科研和創(chuàng)新的支持力度，通過加強科研機構(gòu)建設、推動中醫(yī)藥現(xiàn)代化技術研發(fā)和中藥《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》（Good Manufacturing Practice ofMedical Products，GMP）認證等方式，提高中醫(yī)藥的質(zhì)量，促進中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。此外，我國還加強了中醫(yī)藥國際交流與合作，提升中醫(yī)藥在國際組織中的地位，推動中醫(yī)藥的國際化發(fā)展。

在不同的光照條件下，中藥材的生長發(fā)育表現(xiàn)出不同的特性。例如，根據(jù)植物對光照強度的需求，可以將植物分為陽生植物（如北沙參、山藥、顛茄子等，主要生長在直曬陽光充足的地方）、陰生植物（如人參、西洋參等，不能忍受強烈日光照射，喜歡在陰濕的地方生長）和中間型植物（如天門冬、麥門冬等，處于喜陽和耐陰之間）。光照對藥用成分的積累也有直接影響，如在不同光照強度或光照時間下處理金線蓮，可以觀察到其藥用成分含量均會發(fā)生變化[1-2]。

綜上，不同的中藥材對光照的需求有所不同，因此需要設計一種在種植過程中可以根據(jù)不同中藥材的特性自動進行光照調(diào)整的系統(tǒng)，即光環(huán)境自動控制系統(tǒng)（簡稱“自動控制系統(tǒng)”），從而提高中藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 系統(tǒng)設計

1.1 應用場景

自動控制系統(tǒng)主要應用于中藥材種植環(huán)境監(jiān)控、中藥材生產(chǎn)管理、中藥材智能種植等領域。

1.2 功能要求

為了滿足中醫(yī)藥科研和創(chuàng)新的應用要求以及實現(xiàn)光質(zhì)、光照強度、光照時間等因素的自動調(diào)控，自動控制系統(tǒng)應滿足以下要求。

（1）精確轉(zhuǎn)換光能。自動控制系統(tǒng)的根本作用是對藥材所需不同光環(huán)境進行精準轉(zhuǎn)換，促進藥材的培育。

（2）利用太陽能電池供能。為了響應節(jié)能降耗的國家政策，自動控制系統(tǒng)搭載太陽能電池。基于光電效應，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。

（3）具備遠程操控系統(tǒng)。通過輸入指令，自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)光顏色、光照強度以及定時控制光照時間。該遠程操控系統(tǒng)不會受到傳統(tǒng)種植方式自動化程度不高的約束，而且該遠程操控系統(tǒng)操作簡單，不受到年齡、受教育程度等方面的限制。遠程操控系統(tǒng)通過科技創(chuàng)新，使得種植變得簡單、省時省力。

1.3 軟件設計

單片機編程是一種通過編程語言（如C 語言、匯編語言等）來控制單片機行為的技術。自動控制系統(tǒng)使用了無線傳感器網(wǎng)絡技術，將RISC 微處理器（advanced RISC machines，ARM）技術和傳感器技術相結(jié)合[3]。軟件設計包括主程序、實時時鐘及中斷子程序（“看門狗定時器”，簡稱Watchdog）。脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）輸出控制中斷子程序、控制參數(shù)輸入子程序、碼制轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、延時子程序，以及溫度采樣和控制參數(shù)隊列初始指針定位子程序等[4]。此外，STM32 的編程還需要使用一些特定的工具，如STM32CubeMX 和Keil 等。STM32CubeMX 是意法半導體公司提供的圖形化配置工具，可以幫助用戶生成初始化代碼，簡化工程的初始化過程；Keil 則是一個常用的單片機編程環(huán)境，提供了代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能。

1.4 硬件設計

自動控制系統(tǒng)相關的硬件如圖1 ～圖3 所示。

自動控制系統(tǒng)基于輸入的控制參數(shù)對光質(zhì)、光照強度、光照時間等因素進行改變和控制，并且可以設置n 個梯度。根據(jù)實時時鐘的值改變當前溫度，從而實現(xiàn)梯度的自動改變。采用實時時鐘可以模擬一天的溫度和光照。在自動控制系統(tǒng)中，如果干擾破壞指令計算器的內(nèi)容，便會出現(xiàn)“飛程序”，致使系統(tǒng)失控。該系統(tǒng)采用WatchDog 對“飛程序”進行檢測和自動恢復。

2 功能實現(xiàn)

自動控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖4 所示。該自動控制系統(tǒng)主要包括核心控制單元（STM32F103C8T6單片機）、光質(zhì)智能變換模塊、光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊、定時模塊、顯示模塊（LCD1602液晶顯示器）、PWM 芯片、太陽能板、光敏電阻電路板以及電源等模塊。自動控制系統(tǒng)的主要功能為：通過對太陽能的吸收，系統(tǒng)在任何環(huán)境下的能源均能保持充足；光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊檢測外部光環(huán)境的光照強度變化[4]，根據(jù)接收到的光變化指令，改變不同中藥材所需的光照強度；光質(zhì)智能變換模塊和定時模塊通過解析中藥材所需的光照顏色及時間的指令來改變藥材所需的光環(huán)境。

在自動控制系統(tǒng)啟動后，首先，太陽能充電板吸收太陽能對電池進行充電；其次，初始化自動控制系統(tǒng)的各個模塊；最后，根據(jù)在LCD1602 液晶顯示器中顯示的光環(huán)境變化來轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中不同中藥材所需的光環(huán)境[5]。如果監(jiān)測到藥材周圍環(huán)境光照顏色出現(xiàn)變化，STM32F103C8T6 單片機可以對光質(zhì)智能變換模塊發(fā)送指令，該模塊解析指令后并自動轉(zhuǎn)換為當前時間段適宜藥材生長的光照顏色，同時通過PWM 技術減少色差，提高光照顏色準確性。如果監(jiān)測到藥材周圍環(huán)境光照強度出現(xiàn)變化，STM32F103C8T6 單片機對光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊發(fā)送指令，該模塊解析指令后并自動轉(zhuǎn)換為當前時間段適宜藥材生長的光照強度。光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊使用以光敏電阻為主的電路元件所集成的電路板，從而實現(xiàn)對光照強度信息的收集和顯示，以及對光照強度的智能調(diào)控。當外界光照強度低于所需的光照強度時，使用外加電源的方法通過增大功率來提升發(fā)光二極管（light emiting diode，LED）燈的光照強度。而藥材所需要的光質(zhì)、光照強度、光照時間，可通過定時模塊，精準控制LED燈的定時開啟和待機時間。自動控制系統(tǒng)的工作流程如圖5 所示。

3 應用分析

3.1 系統(tǒng)研究結(jié)果

自動控制系統(tǒng)基于STM32 單片機和各個模塊的互相配合，對光照進行自動調(diào)控并且在顯示屏上顯示相應數(shù)據(jù)。太陽能電池可以持續(xù)為自動控制系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的可持續(xù)性，同時也可以達到節(jié)能效果。光質(zhì)智能變換模塊和光環(huán)境監(jiān)測與自動調(diào)控模塊的精確性對光照調(diào)控效果產(chǎn)生的影響較大。在不同的光環(huán)境下，中藥材產(chǎn)量也會發(fā)生不同程度的變化。本文模擬了不同的天氣情況并對系統(tǒng)進行測試，結(jié)果顯示自動控制系統(tǒng)在不同天氣情況下均可以自動調(diào)節(jié)光照。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以提高中藥材的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)點

自動控制系統(tǒng)主要適用人群是文化程度不高的中藥材種植者。通過簡化該系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，方便用戶的安裝和操作，同時也可以對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。該系統(tǒng)只需要用戶輸入中藥材的名稱，便可以實現(xiàn)光照的自動轉(zhuǎn)化，最大限度地排除光照對藥材產(chǎn)量、藥用價值和品質(zhì)等方面的影響。自動控制系統(tǒng)對光照的自動調(diào)控不受惡劣環(huán)境影響，從而使中藥材在最適宜的光照環(huán)境下生長。為了能夠精準調(diào)控，本系統(tǒng)采用了PWM 技術（圖6），提高了中藥材的品質(zhì)及藥性。在節(jié)能方面，該系統(tǒng)使用太陽能電池，其可以支撐系統(tǒng)的全天用電量。

3.3 未來發(fā)展

隨著科技的發(fā)展以及工業(yè)逐步進入自動化，自動控制系統(tǒng)將會變得更智能化，對其的需求量也將增大。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，未來該系統(tǒng)可能會實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，進一步提高生產(chǎn)效率，減少人力成本，實現(xiàn)中醫(yī)藥的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，自動控制系統(tǒng)在中藥材種植領域具有重要的作用。本文通過 STM32F1 系列開發(fā)板、PWM 技術以及其他智能控制模塊，設計了中藥材光環(huán)境的自動控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，在模塊設計方面，光照的自動調(diào)控精確性對中藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)等有不同程度的影響。如果遇到自然災害等特殊情況，用戶可通過手動按鍵對系統(tǒng)進行人工操控，同時在顯示屏上看到相應的實時數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，自動控制系統(tǒng)在國內(nèi)外具有較大的發(fā)展空間，未來可以對智能控制模塊進行更深層次的研究，以進一步優(yōu)化系統(tǒng)，使其在環(huán)境異常情況下依然可以自動調(diào)控，從而進一步提高中藥材的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)量和品質(zhì)。