阳台农业立体栽培自动控制系统设计与实现[期刊论文].pdf

2 0 1 4年 1月 农 机 化 研 究 第 1期 阳 台 农 业 立 体 栽 培 自 动 控 制 系 统 设 计 与 实 现 陈 娜 陈立平 李斌 郭文忠 薛绪掌 1 首都师范大学 信息工程学院 北京 1 0 0 0 4 8 2 国家农业智能装备工程技术研究 中心 北京 1 0 0 0 9 7 摘要 从解决阳台农业立体栽 培系统 的自动补水 补光问题出发 针对人工定时补给和传感器 自动感应补给的 不 同操作需求 设计开发了基 于 s t m3 2 f 1 0 3微控制器作为嵌入式芯片的立体栽培架 自动补给控制系统 实现 了 硬件和软件结合的 自动补水与补光控制 测试结果表 明 该控制系统可较好地实现通过时钟进行人工定时准确 精量补水 补光控制 也可有效获取基质湿度传感器及光 照传感 器的实时数据 根据浇水及光照设置 阈值 开启 或关闭补光补水控制 达到栽培架中基质水分及植物需光有效补给的 目的 通过 多次运行 该 系统性 能稳定 可 靠 可满足阳台农业立体栽培系统 自动补水 补光要求 关键词 阳台农业 自动控制 s t m3 2 f 1 0 3微控 制器 立体栽培 中图分类号 2 2 3 2 t p 2 7 7 文献标识码 a 文章编号 1 0 0 3 1 8 8 x 2 0 1 4 o 1 0 1 2 7 0 5 0 引言 随着城市人 口的增长和可用地 面积的减少 都市 宜农空 间的充 分 开发 利用 受 到 了人们 的普 遍 重视 发展 阳台农业正逐 渐成为当前 重要的家庭菜 园模式 立体栽培系统成 为 目前 重要 的蔬菜生 产平 台 它 不 仅可 以充分利用资源和空间 又可 以让人们在家 里种 植放心蔬菜 而且还 可以净化空气 享受种植乐趣 蔬菜生长需要一定 的水分和阳光 如何根据 主人 的作 息 时间 以及 多变的 阳台环境 实现栽培蔬菜 的补水 补光需求 自动化 成为当前需要解决的问题 结合上述需求 本文设计开发了基于 s t m 3 2 f 1 0 3 微控制 器的 阳台农 业立体栽 培 自动补水 补光 系统 该系统实现 了人工定 时和传感器 自动感应补水 补光 控制 人工定时控制部分采用时钟控制 可 以实现补 水和补光 的准确精 量控制 补水 自动控 制部分 通过 水分传感器获取基质含水量 实时判断补水 阈值大小 来开启或关闭水泵 补光控制通过可调节的光敏传感 器来 自动控制 整个系 统成本低 体 积小 实 现 了液 晶屏显示与触摸控制 满足了阳台农业 立体栽培系统 蔬菜补水 补光的需求 1 系统 总体 设计 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 0 基 金项 目 北京市科技攻 关计划项 目 z 1 2 l 1 0 0 0 0 0 3 1 2 0 1 2 作 者简介 陈娜 1 9 8 8 一 女 湖南 株 洲人 硕 士研 究 生 e ma i l c h e nn a 40 0 1 6 3 c o m 通讯作者 李斌 1 9 8 3 一 男 山 东枣 庄人 助 理研 究员 博 士 e m a i l l ib n e r e i t a o r g c a 系统的总体结构如图 1所示 光 敏传感器 继 电 s t m 3 2 微控制器 器 模 块 i 土 壤 湿 度传 感 器卜 图 1 系统总体 结构图 该 立 体 栽 培 自 动 补 水 补 光 系 统 主 要 由 s t m3 2 f 1 0 3微控制器 土壤湿度传感器 光敏传感器 继电器模块 水泵和补光灯等组成 土壤湿度传感 器 采用电压型 f d s 一 1 0 0传感器 主要用来实时测量基质 的含水量 光敏传感器采用亮 阻为 4 k q 暗阻为 1 0 mq 的光敏 电阻 通过感应光 照的强弱 从而控制补光 灯 的开关 s t m3 2 f 1 0 3微控制器是 系统 的核心 通 过 人机交互界 面对湿度 阈值进行 设定来控 制水泵 的开 启 和关 闭 也 可以根据需要 采用人 工定时方式手 动 设置水泵 以及 补光灯开启 和关 闭时问 系统软件 基 于 a r m公司 的 r e a l v i e w md k开发工具 采用 c语 言 编程 2系统硬件设计 2 1 结构组成及特点 系统硬件部分采用 a r m c o d e x m 3内核 3 2位处 理器 s t m3 2 f 1 0 3作 为 微 控 制器 该 芯 片 主频 高 达 7 2 mh z 具有 3路共 1 6通道的 1 2位 a d输入 2路共 2 通道的 1 2位 d a输 出 适合传感器数据采集 土壤湿度传感器首先将采集到的数据通过 电压跟 2 0 1 4年 1月 农 机 化 研 究 第 1期 随与滤波电路滤除噪声 然后进行 a d转换成数字信 号 其 中 系统土壤湿度传感器采用 f d s 一 1 0 0电压型 传感器 其输出电压为 0 2 v 光敏传感器通过光敏传感器信号处理电路连接到 控制器的 g p i o口 控制器通过判断 g p i o 口的输入电 平来控制继 电器的吸合 实现补光控制 人机交互界面是系统使用人员与控制系统之间的 交互窗 口 系统采用具有触摸控制功能的 3 2寸 t f t 真彩 l c d 系统硬件框架如 图 2所示 图 2系统 馊 件 框 2 2硬件控制电路设计 2 2 1 光敏传感器 电路设计 图 3为光敏传感器电路图 利用光敏传感器光照 情况下电阻与无光照情 况下阻值不 同来 实现继 电器 的开关 其 中 光敏 传感器 的亮 阻大概 为 4 k q 暗 阻为 1 0 mn左右 通过电压比较器 l m 3 9 3比较光敏电 阻一端与另一 固定 电压值 的大小来输 出高低 电平 微 控制器通过比较器输出电平来控制继电器 的通断 qnd 图 3 光敏传感器 电路图 2 2 2 土壤湿度传感器信号处理电路设计 图 4为土壤湿度传感器信号处理电路 土壤湿度 传感器采集 的数据为模拟数据 模拟数据直接输入到 微控制器进行 a d变换 容易受到外 界噪声 的干扰 同 时 a d转换一般输入阻抗较小 因而加入 了电压 跟随 器 可有效提高输入阻抗 增加抗干扰能力 图4土壤湿度传感器信号处理电路 图 2 2 3 继电器电路设计 图5为继 电器的电路 图 其数字信号输入端连接 s t m3 2的 g p i o 的 f口的第 6 第 7引脚 即 p f 6和 p f 7 通过微控制 器输 出 的高低 电平来 控制继 电器 的 通断 其 中 光耦起 隔离作用 三极管 的集 电极并 联 一 个续流二极 管 以吸收继 电器线 圈的反 电动势 通 过比较二极 管特性 考虑 到使 用的是直流继 电器 本 设计选用有较强 正 向浪涌承受 能力且最 高反 向电压 为 1 0 0 0 v的 1 n 4 0 0 7作为续流二极管 gnd 图 5 继电器电路 图 2 2 4 触摸屏 电路设计 系统通过触摸屏实现对水泵和补光灯的控制 其 中 触摸屏采 用 t f t l c d屏 为 3 2 0 2 4 0分 辨率 1 6 位真彩显示 本设计采用 i l i 9 3 2 0控制器驱动晶体管 显示器 触摸屏控 制器采用 a d s 7 8 4 3 该 控制器是 一 款 4线式触摸屏控制器 内含 1 2位分辨率 1 2 5 k hz 转 换速率 逐步逼近型 a d转换器 a d s 7 8 4 3电路如 图 6所 示 2 0 1 4年 1月 农 机 化 研 究 第 1期 a d s 7 8 4 3 g n d 图 6 触摸屏控制器连接图 3系统 软件设计 9 1 k 系统软件开发基 于 a r m 公司 的 r e a l v i e w md k平 台 采用 c语 言编程 为 了提高 系统设计 的效率 采 用 s t公司提供 的针 对 s t m3 2控制 器 的 固件 函数 库 s tm32f1 0 x s t d pe r i ph li b v 3 3 0 系统软件设计主 要包 括土壤湿 度传感器数据 采集 补光灯定 时控制 水泵定时控制和系统时钟设置等 系统程序部分包 括 主程序 系统时钟 设置 补 水 与补光模 式设置 滤 波程 序 以及 r t c中断服 务程 序 等 主程序 的功能是 系统 的初始化 补水与补光模 式 设置的功能是对补水 与补光模式进行选 择 补水模 式 有定时补水模式与传感器感应 自动控制 补水模式 补 光模式有定 时补光模 式与光 敏传感器 感应 自动控 制 模式 滤波程序主要对土壤湿度传感器采集 的电压信 号进行预处 理 滤 除干扰信 号 r t c中断服务 程序实 现定时控制与数据 的实时显示 3 1 补 水 控 制流 程 图 补水控制包括两种模式 定 时补水模 式和土壤湿 度传感器感应 自动控制模式 补水控制流程如 图 7所示 登陆系统后进入系统 时钟设置界面对系统时钟进行初始化 设 置系统时钟 后开启 r t c中断并进入补水与补光模式设置界 面 补 水模式选择定时补水模式后 首 先对定 时补水时间进 行设 定 设置补水 开始与结束 时间 之后通过 一个标 志位来开启 r t c中断判断 当前时 间是否与补水 开始 相等则开启补水并启动定时器 当补水模式设置为传感器感 应 自动控制模式后 系统每秒钟采集 1 次传感器数据 连续采集 n次并进 行滤波后得 到 了均值数 据 软件选择 自动 控制模 式 后进入土壤湿度传感器阈值设 置界面 该界面 可以实 时显示 当前土壤湿度值 设置初始补水 阈值 后 系统 将采集到的当前土壤湿度值与该 阈值 比较 当前湿度 值低于传感器阈值时则开启水泵开始补水 然后继续 判断 一直到湿度值不小于 当前 阈值时关 闭水泵停止 补水 y i 打开水泵 关 闭水 泵 开始 二二 系统初 始化 二二 二二 设置系统 时间 一 定时补 水模式 玉 兰 滤波 i 当前 值 阈值 打开水 泵 关 闭水泵 图 7补 水 控 制 流 程 图 3 2补光控制流程图 补光控制包括两种方式 定 时补光模式和光敏传 感器感应 自动控制模式 补光控制流程如 图 8所示 与补水控制一样 设 置系统时钟之后 对补光模式进行选择 当补光模式 设置为定时补光模 式时 进 入定时控制 界面 设 置完 开启与关 闭补光 灯 的 时间 通 过一个 标 志位来 控 制 r t c中时间判断 的开启 从而来控制灯 的亮灭 当补 光模式设置为光敏传感器感应 自动控制模式之后 通 过光敏传感 器对不 同光照 的阻值不 同来 自动控制 灯 的亮灭 当光照较低时光敏传感器 阻值很 大 灯亮 光 照充足时光敏传感器阻值相对较小 灯灭 3 3 传 感器数据的采集 系统采用电压输 出型土壤湿度传感器 传感器 输 出的模拟电压通过 s t m3 2 f 1 0 3的 a d c转换成数字信 号 s t m 3 2控制器的 ad c功能较强 其转换输入引脚 可以是任一 g p i o口 只需将 g p i o口设置为模拟输人 模式 即可实现模拟量 的输入 s t m3 2 f 1 0 3共有 1 6个 外部通道 系统将 p c 5 设置为传感器电压信号的 a d c 输入端 使 用 a d c 1 将 a d c设置 为单通道 单次转换 模式 采用软件触发来启动 a d转换 墨 一 一 眦 螂 m 2 0 1 4年 1月 农 机 化 研 究 第 1期 n n n 开始 系统初始化 一 设置系统时间 一 定时补光 模式 设定补光 时间 到达补光 时间 j y 补光灯亮 补光结束 二 补光灯 灭 室 内光 线暗 补光灯亮 补 光灯灭 n 图 8补 光 控 制 流 程 图 3 4传感器数据的滤波 土壤环境的复杂性导致传感器输出信号易受外界 干扰 j 因此在 a d转换之前必须对传感器信号进行 滤波 滤波方式包括硬件滤波和软件滤波 本 系统采 用硬件滤波和软件滤波结合的方式来处理传感器信 号 以提高系统 的准确性 考虑到土壤湿度是一个缓慢变化 的参数 比较各 种滤波的优缺点 以及适用范围 采用 中位值 滤波的方 法来处理采样值 中位值滤波首先连续采样 次 把 次采样值通过冒泡法进行排序 然后取中间值为本 次采样的有效值 通过实验发现 采用这种滤波方法 能有效克服因偶然 因素引起的波动干扰 4实验与分析 本实验在北京农科 院信息 中心 自主研发的阳台农 业立体栽培架上进行 4 1 补水 补光的人工定时实现 45 40 35 3 o 专 2 5 嚣2 0 1 5 1 o 0 1 定时控制补水试验 试验方法 分 别设置不 同的补水 时 间 通过读 取 定时器 的实际值得到实际的补水时间 并记录数据 试验结果 定时控制补水试验共进行 5组 数据如 表 1 所示 通过经过多次试验证 明 定时控制补水精 度可达毫秒级 表 1 定时控制补水试验结果 定 时时 间 实际时 间 s 5 1 0 1 5 2 o 2 5 5 0 0 2 3 5 1 0 o o 3 8 5 l 5 o o 4 7 5 2 o 0 o 6 3 5 2 5 0 0 7 6 5 2 定时控制补光试验 试验方法 分别设置不 同的补光时间 通过读取 系 统时钟的实际值得到实际的补光时间 并记录数据 试验结果 定 时控制补光试验共进行 5组 数据如 表 2所示 通过经过多次试验证 明 定 时控制补光精 度可达秒级 表 2 定 时控制补光试验结果 s 定 时时间 实际时间 定时时 间 实际时间 6 o 6 0 5 4 0 5 41 1 8 o 1 81 7 2 0 7 21 3 6 0 3 6 0 4 2 补水补光的传感器 自动感应控制 1 自动控制补水试验 试验方法 将湿度阈值设 置为 2 4 然后记录一段 时间内基质湿度 的变化 试 验结果 自动控制补水试验于 2 0 1 3年 3月 1日一 4月 1 日 共进行 1 个月 数据如图 9所示 通过一段时间的 试验证 明 自动补水可保证低 于 阈值时进行补水 以 保持湿度在一定范围内波动 3 1 3 3 3 5 3 7 3 9 3 1 3 1 5 3 1 7 3 2 1 3 2 3 3 2 5 3 2 7 3 2 9 3 3 1 刚 图9 补水 自动控制试验 图 2 0 1 4年 1月 农 机 化 研 究 第 1期 2 自动控制补光试 验 试验方法 记录一段时间 内补光灯开关 的时 间 试验结果 自动控制补 光试验 5 总 结 灯 亮 灯 灭 的数据如 图 1 0所示 通过 一段 时间 的试 验证 明 自 动补光可实现弱光和无光条件下的有效补光 2 0 1 3 3 2 4 2 0 1 3 3 2 5 2 0 1 3 3 2 5 2 0 1 3 3 2 6 2 o 1 3 3 2 6 2 0 1 3 3 2 7 2 0 1 3 3 2 7 2 0 1 3 3 2 8 时间 1 8 4 5 o 5 3 8 l 8 4 6 0 5 4 o 1 8 4 3 0 5 4l 1 8 4 2 0 5 3 7 图 1 o 补光 自动控制试验图 本文从解决阳台农业立 体栽培系统 的 自动补水 补光 问题出发 设计开发了基于 s t m3 2 f 1 0 3微控制器 的立体栽培架 自动控制系统 实现 了硬件 和软件结合 的 自动补水 与补光控制 测 试结果 表明 该 控制系统 可以较好地实现通 过 时钟实现人 工定 时的准确精 量 补水 补光控制 其精确度可达到毫秒级 并 能有效获 取土壤湿度传感器 以及光照传感器的实时数据 根据 浇水及光照阈值 达到栽培架 中基质水分及植 物需 光 有效补给 的 目的 通 过多次 运行 该系 统性 能稳定 可靠 可满 足 阳台农业 立体栽培 系统 自动补水 补 光 的要求 参考文献 1 史晓霞 阳台农业一 城市人居环境 中的低碳新理念 j 中国人口 资源与环境 2 0 1 1 2 1 2 2 0 2 2 3 2 邬镝 植物补光照明系统应用及对比分析 j 照明工程 学报 2 0 1 1 6 8 7 9 4 3 李伟 基于 a r m处理器的滴灌 自动控制系统设计 j 农机化研究 2 0 1 2 3 4 1 7 6 7 9 4 郝玮琳 基于 a r m的智能滴灌控制系统 j 中国农村 水利水 电 2 0 0 6 5 2 4 2 6 5 应立志 基于土壤张力的土壤湿度传感器的设计与标定 j 农业科技及装备 2 0 1 2 4 2 6 3 0 6 韩晨燕 基于 f d r原理的土壤湿度实时监控灌溉系统 j 节水灌溉 2 0 1 2 2 7 5 7 7 7 陆建敏 光敏传感器的应用一 声光控开关 电路 j 企业 科技 与发 展 2 0 1 2 1 8 3 6 3 9 th e de s i g n a n d i mp l e me n t a t i o n f o r di me n s i o n a l cu l t i v a t i o n au t o ma t i c co n t r o l s y s t e m o f ba l c o n y ag r i c u l t u r e ch e n na ch e n l i p i n g li bi n gu o w e n z h o n g xu e xu z h a n g 1 c o l l e g e o f i n f o r m a t i o n e n g i n e e r i n g c a p i t a l n o r ma l u n i v e r s i t y b e i j i n g 1 0 0 0 4 8 c h i n a 2 n a t i o n a l e n g i n e e r i n g r e s e a r c h c e n t e r f o r i n t e l l i g e n t a g r i c u l t u r a l e q u i p me n t b e i j i n g 1 0 0 0 9 7 c h i n a abs t r a c t thi s p a p e r p r e s e n t s a n a u t o ma t i c wa t e r a n d l i g h t r e p l e n i s h me n t c o n t r o l s y s t e m wi t h s tm3 2f1 0 3 mi c r o c o n t r o l l e r f o r d i me ns i o n a l c u l t i v a t i o n s y s t e m o f b a l c o n y a g r i c u l t u r e wi t h d i f f e r e n t o pe r a t i n g r e q u i r e me n t s s e p a r a t e l y f o r a r t i fi c i a l t i mi n g mo de a n d s e n s o r a u t o s e n s i n g mo d e te s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m c a n a c h i e v e a c c u r a t e a n d p r e c i s i o n r e p l e n i s h me nt o f wa t e r a n d l i g ht un d e r a r t i fic i a l t i mi n g mo d e und e r t he s e ns o r a u t o s e n s i n g mo d e r e a