基于ARM的温室大棚智能系统的设计

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ・　索与　察　基于ＡＲＭ的温室大棚智能系统的设计　广东理工学院任瑾吴琼徐殿双　【摘要】以加快我国农业现代化发展进程为目的，提出了一种低成本高性能的智能温室控制系统。系统主要包括数据采集单元和控制单元两　部分，ｖＸＳＴＭ３２为核心控制器，对温室大棚中的空气温湿度、光照、Ｃ０２浓度等环境参数进行监控的同时，通过模糊控制算法对温室内的　调控设备进行控制，进而建立保证一个适合农作物生长的最佳环境。通过反复实验表明，该系统可靠性高，扩展性强，可满足农业上对温室　大棚监控系统的要求，有助于降低农民劳动量和提高作物产量。　【关键词】智能温室控制系统；ＳＴＭ３２；环境检测；模糊控制　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　Ｉｉｎｔｅｉｌｉｇｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ＲＥＮ　Ｊｉｎ，、７　Ｑｉｏｎｇ，ｘｕ　Ｄｉａｎｓｈｕａｎｇ　（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈａｏｑｉｎｇ．５２６１００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｐｅｅｄ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｍｏｄｅｍｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｌｏｗ—ｃｏｓｔ　ｈｉ　ｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｗｏ　ｐａｒｔｓ：ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　ａｎｄ　ｃｏｎ￣ｏｌ　ｕｎｉｔｓ，ｕｓｅ　ＳＴＭ３２　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｉｎ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓ，ｌｉｇｈｔ，Ｃ０２　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｅｎｓｕｒｅ　ａ　ｂｅｓｔ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｃｒｏｐ　ｇｒｏｗｔｈ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｒｅｐｅａｔｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇ　ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈｅｌｐ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｆａｒｍｅｒｓ’　ｌａｂｏｒ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｃｒｏｐ　ｙｉｅｌｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ＳＴＭ３２；Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；Ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　给控制单元；控制单元负责数据显示、控制、参数设定等功能。　０引言　２．１控制单元模块　控制单元的硬件框图如图１所示，采用核心控制器是ｓＴ—　众所周知在我国传统农业生产效率相对较低且受自然环境影响　Ｍ３２Ｆ１０３的最小系统，人机交互模块采用的是ＨＹＷ２４０１２８ＡＬＣＤ　大，而今随着经济的快速发展，工业和住房用的增多使得耕地面积　液晶显示屏，键盘模块选用独立式接口模式共６个按键，用以数据阀　逐年减少。为了提高农作物的单位面积产量，人们先是利用了温室　值得设定和控制模式的选取；通信模块根据现场所处环境等综合因　大棚，它的出现对农业的发展起到了质的飞跃，而今科学技术的高　素选用的是ＲＳ４８５通信。因为人机交互模块和通信模块电路比较通　速发展，人们将高科技应用于农业生产，更有利于我国的农业向现　用，本文在此不进行阐述。系统控制的输出单元是执行机构，执行　代化发展的进程。农作物在大棚中的生长除了与自身的遗传特性有　机构有光补灯（２２０ＶＡＣ控制）、ＣＯ２发生器（２２０ＶＡＣ控制）、水　关外，还与棚内空气的温湿度、二氧化碳浓度、光强、土壤湿度等　肥控制阀（２４ＶＤＣ控制）等。当检测到的数据送入处理器中后，　因素有着密不可分的联系。如何利用科学技术手段创造一个适合农　处理器将其与预先设定好的值进行对比再根据软件控制规则，发出　作物生长的最佳环境显得尤为重要，在经过大量的研究对比发现，　相应控制的开关量信号。本文以控水阀模块为例，其电路如图２所　大部分果蔬类作物而言，一般白天适宜生长的温度为２３￣２８度，夜　示，控制器通过ＰＥ１１引脚发出开关信号，当ＰＥ１１＝０时，光敏三极　间为１０～１８度［１］，空气相对湿度一般在５０％￣８５为宜ｆ２］，在此范围　管导通，继电器吸合，控水阀门打开，反之关闭。　内最有利于作物生长，此外光照强度、Ｃ０２浓度和土壤的湿度也都　直接或间接的影响到农作物的光合作用。　本文提出的智能温室控制系统集计算机控制技术，传感技术，　通信技术，农业技术等为一体，按照农作物的生长规律，根据棚内　环境参数的变化随时对温室进行调节控制策略，达到最有利于农作　物生长的最佳状态，以提高单位面积农产量的目的口】。　１系统的总体结构　系统主要包括数据采集单元和控制单元两大部分，其中以ＳＴＭ３２　为核心控制器进行控制，数据采集部分以ＩＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１１ｓ２为主，将检　测到的数据上传给ＳＴＭ３２后，经过调控设备单元对温室内的光照补　偿灯、Ｃ０２发生器等执行机构进行控制。系统采用模糊控制方法对温　图１控制单元的硬件框图　湿度进行调节，通过设置光照强度的上下限来调节光强，当外界弱光　时可打开补偿灯进行补光，否则打开遮阳网，进而保证光强的最佳范　围：利用液态ＣＯ２发生器通过控制继电器实现浓度调节：采用膜下滴　灌技术通过电磁阀控制土壤的湿度和营养调节【４］。本文设计的温室大　棚智能控制系统将模糊控制、专家知识等智能决策与传统的反馈控制　相结合，实现对温室环境参数的智能调节　】。　２硬件组成　系统的硬件主要包括数据单元和控制单元两部分，数据单元主要　完成空气的温湿度检测、土壤湿度、光强等环境数据的采集，而后送　图２控水阀模块电路　电早ｔ鹜再　・８９・　ＥＬＥＣＴＲＯＮｌＣＳ　ＷＯＲＬＤ・岿　与璐２．２数据单元模块　数据单元的框图如图３所示，采用ｌＡＰ１　５Ｆ２Ｋ６１ｓ２芯片为主，　完成对空气的温湿度、土壤湿度、ＣＯ２浓度和光强的检测。系统对　空气温湿度检测模块选用的是ＤＨＴ１ｌ复合型数字传感器与ＩＡＰ１５的　　３系统软件设计　主程序是整个软件的关键部分，其框图如图５所示，系统初始　化后将系统的调控设备关闭，主程序进入不断往复循环，用于完成　按键的扫描、数据的传送、超限控制、上下限报警等功能。主程序　中超限控制包括模糊逻辑控制和开关量控制两种，本设计中空气温　湿度根据模糊控制，通过查询模糊逻辑表进行调节；而土壤湿度、　ＣＯ２浓度和光强度采用开关量控制方式，当某一参数越限时，系统　发出一个数字信号经过光耦隔离和信号驱动放大电路控制相应的调　控设备开关，调节改变该参数的执行机构动作”】。　设计中采用的模糊控制的优点是无需建模，是处理大惯性系统问　题时的首选且简单有效。它把人工控制经验总结成一定的规律，对其　模糊数学定量化，从而实现智能控制【８】，其部分推理流图如图６所示：　Ｐ０．０口连接：针对棚内光强特点，光强采集模块选择的是数字光模　块ＧＹ－３０，双串口数据线与Ｐ０－３和Ｐ０．４口连接，设计中ＡＤＤＲ端接地，　芯片地址配为０ｘ４６；ＣＯ２浓度检测选用ＴＧＳ４１６１模块，输出的模拟　信号连接Ｐｌ＿３引脚，其电压范围为０～２　Ｖ，无需调理电路可直接与　ＡＤ连接：土壤湿度检测模块采用的是ＹＧＣ．ＴＳ系列传感器，采用驻　波原理的土壤含水率测量方法，得到的是土壤真实水分含量【６】。电　路中为了减少干扰与ＬＭ３５８连接，它相当于电压跟随器，传感器输　出的信号经过它后送给控制器中的ＡＤｃ引脚进行模数转换。采集单　元模块的部分电路图如图４所示。　传感嚣ｒ—。　他感罄ｒ—　霖　他感嚣ｒ——　徽挣料器填块　挖　传惑嚣ｒ—＿１／　至　图３数据采集单元的框图　制酿托　∞　加　ｍ　ｓ　０　匿　一图６模糊推理系统流图　首先将采集到的数值与设定值对比，计算偏差ｅ和偏差变化率　Ａ　ｅ，然后判断他们是否超出了系统所设定的基本论域范围，大于　上限则称为为上限值，小于下限称为下限值，在其范围内时进行下　步处理。进行模糊化处理前需将这两个值量化，之后查表，获取　输出ｕ的模糊量　】，最后去模糊化得出精确的控制量。　图４采集单元模块的部分电路　—・一丈棚内　气沮震　＋太拥外窑气谲魔　图７大棚内外温度变化折线图　‘・・一・・　’’　Ｎ　、Ｉ　＋－大棚内仝气避蕨　－Ｎ　ｌ＇．＿　ｇ－．大棚外空气湿度　一—■ｒ一　图５主程序流程图　・９ｆ）・屯子世界　圈８大棚内外湿度变化折线图　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ・瓣与璐　１００－１ＯＯ．　４实验结果与展望　【４】杨国成．摸下膜下滴灌节水技术的应用和意义【Ｉ１．农业科技与　信息，２０１２（２１）：３３—３４．　在实验室搭建智能控制系统，分别对软硬件进行调试，经反复　【５】王振宇，成立．基于模糊控制的温室调节装置的研究Ⅱ】．浙江大　调试无误后，在温室中进行安装，现场测试。因为在温室当中温度　学学报：农业与生命科学版，２０１３，３２（２）：１９５—１９９．　和湿度这两项是主要参数，所以本文以棚内外温湿度进行对比测试　【６】徐立鸿，苏远平，梁毓明．面向控制的温室系小气候环境模型要　验证系统的准确性。系统测试时间为早７点到下午１９点，设定最佳温　求与现状Ⅱｌ＿农业工程学报，２０１３，２９（１９）：１—１５　度为２３度，湿度为６５％ＲＨ。每隔－ｄ，时测试一次。其温湿度对比折　【７】李化，刘长化，王寐．模糊控制在室温控制中的应用［７１＿辽宁工业　线图如图７和８所示。通过图７和图８可直观的看出大棚内空气温湿度　大学学报自然科学版，２０１４，３０（１）：６０—６３．　的变化平缓，温湿度数值能够稳定保持在作物最佳生长范围内。因　【８】孙静．基于模糊控制的智能灌满系统的研究【Ｄ】．山东大学，２０１４．　此，控制系统能够实现对主要环境参数的调控，基本达到了设计要　【９】钱稷，周娟，张广华．基于模糊控制的温室内土壤湿度智能监控　求。温室大棚系统是一个相对复杂的控制系统，集合了多种技术于　系统设计卟农业工程学报，２０１５，３４（５）：１２１—１２６．　一体，因为外在因素限制及个人经验的缺失，系统仍存在不足，比　如还不能进行无线数据通信，不足之处还须要进一步完善研究。　作者简介：　任瑾（１９８９一），女，辽宁朝阳人，硕士研究生，主要研究方　参考文献　向：计算机测控技术、电气自动化技术。　…孙缳，刘捷，李裕．设施农业的温室环境调控问题分析与研究机町　吴琼（１９８９一），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，主要　湖南农机：学术版。２０１２（３）：４５—４６．　研究方向：状态估计、信息融合、电气自动化技术。　【２】魏亭，杨盛泉，刘白林．基于ＲＳ４８５总线的温室大棚集散控制系　徐殿双（１９８７一），男，黑龙江安达人，硕士研究生。主要研　统的研究与设计［１］．西安工业大学学报，２０１３，３３（９）：７０６－７１１．　究方向：能源材料、电子技术。　【３】王振寒．蔬菜温室大棚智能控制系统的设计Ｕ］．消费电子，２０１３（１６）：　（上接第８７页）　能，进行站前战中数字测量；应用于后勤运输情况测控，实现全网　的定时巡查、流量控制，保证沿线安全状况和自动化控制，可实现　４结束语　对无人区及危险区数据随时提取，便利了数据取得从而保证分析结　果的准确，同时也保证了侦查人员的人身安全：开发出ＣＴｒａｃｋ移动　运输是一个国家稳定发展的命脉，随着中国“一带一路”的提　目标监控系统，结合了电子地图、ＧＰＳ、ＧＩＳ（地理信息系统　功能，　出，远程贸易运输乃至战略物资运送越来越频繁，需尽快提高运输　帮助驾驶人员进行定位、了解导航信息，另一方面也可以通过定时　通信能力，保证通信安全、畅通、迅速，对重要线路进行监控，减　或随时提取车队的位置及行车轨迹，监测车队情况，向车辆发出警　少可避免的损失。总的来说，由国家规划的运输通信系统目前尚不　报或控制车辆，保证车辆安全。　完备，是亟需关注的重点领域。　作为移动端的通信车辆、船只、数据采集仪等与Ｉｎｍａｒｓａｔ．Ｃ终　端进行集成即可通信、定位及接受调度，也可以与Ｃ系统专有显示　参考文献　器、ＰＤＡ或电脑主机进行集成，进行自定位的电子地图显示、信息　［１】张弘．简明大不列颠百科全书【Ｍ］．１９８６　查询、Ｅｍａｉｌ通信及与手机用户进行短信通信。　（上接第８８页）　３．３自动绕线机构　电缆自动绕线机构安装于电动履带车底盘之上，采用模块化设　４结柬语　计，可以灵活拆卸并根据实际作业需求更换上装结构。自动绕线机　构主要由三部分组成：机架、绕线盘、驱动机构。如图２所示。机　鉴于１０ｋＶ电缆线路在城市电网中的重要地位和提高电缆线路供电可　架用于整体结构的固定，整体结构在不进行绕线的情况下，总质量　靠性的迫切需求，结合当前旁路检修作业柔性电缆回收和施放的自动化　不超过６０ｋｇ。绕线盘设计如图３所示，绕线的最小直径为４２０ｍｍ，　程度低、作业强度大等等弊端，并结合作业现场的实际需求，采用技术　最大直径为７００ｍｍ，可以保证用于检修的旁路柔性电缆处于合理的　创新和优化设计开发了自动化的柔性电缆收放装置，经过对装置的组装　弯曲状态。驱动机构的控制面板上的按钮，作业人员通过按钮可以　和试验验证，保证旁路柔性电缆自动收放装置的安全可靠实用，降低作　便捷的控制绕线转盘的正转和反转，从而完成旁路柔性电缆的回收　业人员的劳动强度，保证不停电作业的安全性。对于旁路不停电作业的　和施放，驱动机构通过履带车自身的电瓶给额定电压为ＤＣ４８的伺　高效开展及提高供电可靠性具有极其重要的意义，对于旁路电缆不停电　服电机供电，无需额外提供电源。　作业技术的全面推广和应用，具有极高的实用价值和经济效益。　电子世界　・９１・