嵌入式温室升降补光控制器研制.pdf

153湖北农机化 2019 年第 23 期开发研究嵌入式温室升降补光控制器研制王 琢 高星星 * 王 锐 卢泽民 张俊峰 舒虹杰 罗友谊 肖 进(武汉市农业科学院，湖北 武汉 430345)：光是作物生长过程中重要的环境因子，光照不足会导致作物品质和产量的下降。温室是主要的农业设施之一，在传统温室条件下，光照受天气等自然条件影响，而太阳光和人工光并用型温室可以在光照不足时，通过人工光源保证作物的光合有效辐射，从而保证作物品质和产量。据此，基于嵌入式技术，提出了一种温室升降补光控制器的实施方案，设计了系统硬件关键电路及软件主程序控制流程。控制器实现了补光设备的升降控制、手动补光控制、定时补光控制和自动补光控制，并经过实地应用取得了较好的效果，为设施农业光环境调控技术提供了实践支撑。：补光；升降；温室；控制器；嵌入式技术0 引言光合作用是植物利用太阳的光能，同化二氧化碳和水制造有机物质并释放氧气的过程。光合作用是植物体内最重要的生命活动过程，是植物合成其结构物质和维持其生命活动的能量物质的根本来源 1。影响植物光合作用的外界因素主要包括光照、二氧化碳、温度、湿度、水肥等。近年来，在设施园艺领域，许多二氧化碳、温度、湿度、水肥的调控技术已经应用到了实际生产中，而对于光环境的调控技术还未得到大规模应用。太阳光利用型温室是我国设施园艺的主要形式，主要包括塑料大棚、日光温室、连栋温室，我国超过 95%的温室采用塑料作为覆盖材料，塑料材料的透光率在 50%70%2，当塑料外部存在灰层和内部出现结露时，其透光率会更低。另外，太阳光受自然气候的影响，在时间和空间的分布上具有不规则性，太阳光利用型温室的光照条件达不到果菜类和花菜类作物的最佳光需求，而太阳光和人工光并用型温室能够改善作物品质，提升产量 3-5。温室内不同作物处于不同的生长阶段，冠层形态不同，为了达到最佳的光能利用率，人工光源的安装高度也不尽相同。本文针对升降补光设备的结构特点，设计了一种基于嵌入式技术的温室升降补光控制器。1 系统总体设计升降补光灯组由普通的补光灯组、绕线机构、管状电机以及电缆组成，如图 1 所示，管状电机带动绕线盘旋转，绕线盘在旋转的过程中对电缆进行收放，从而使补光灯组整体上升和下降。温室升降补光控制系统由升降补光灯组和控制器组成，每台控制器可以控制 4 套升降补光灯组， 4 个通道之间单独控制，互不干扰，如图 2 所示。温室升降补光控制器有升降控制、补光控制 2 种功能，其中补光实现了手动控制、定时控制、自动控制 3 种模式，升降只能手动控制。其中，手动控制是指操作触摸屏上的按钮对补光灯组进行开关和升降；定时控制是指用户设定好补光灯组开启的时间段，系统自动开启补光；自动控制是指用户设定好光照强度的上下限，当实时采集到的光照强度低于设定的下限值时，系统自动开启补光，当光照强度高于上限值时，系统自动关闭补光。图 1 升降补光灯组图 2 温室升降补光控制系统2 系统硬件设计2.1 硬件总体结构硬件系统主要由单片机、人机交互单元、光照强度采集单元、升降控制单元、补光控制单元以及预留的通讯接口组成，如图 3 所示。其中，单片机采用 STM32F103C8T6 微控制器，是系统的控制中心，主要负责控制逻辑运算。人机交互单元采用 4.3 寸触摸显示屏，通过串口与单片机进行数据传输。光照强度采集提供了 4 路 420mA 电流信号输入接口。升降控制和补光控制均为 220VAC 的继电器输出。图 3 硬件总体结构作者简介： 王琢（ 1988-），男，湖北武汉人，硕士，工程师，研究方向：设施农业控制技术。通讯作者：高星星（ 1985-），男，湖北孝感人，硕士，工程师，研究方向：农业信息化，农业智能装备。湖北农机化 2019 年第 23 期1542.2 补光控制电路补光控制电路采用 SRD-05VDC-SL-C 型继电器实现补光灯组的通断电，触点容量为 10A/250VAC，线圈控制电压为 5VDC。如图 4 所示， Live 和 Neutral 分别为输入交流电火线和零线，L_Ligh t_1 为第一通道的补光灯组输出。9013 型三极管组成继电器驱动电路， Light_On_Off_1 接到STM32F103C8T6 的 GPIO，当其为高电平时，三极管导通，继电器线圈通电， L_Light_1 与 Live 接通，补光开启；当其为低电平时，三极管截止，继电器线圈断电， L_Light_1 与Live 断开，补光关闭。每个补光通道的最大负载功率为1000W。图 4 补光控制电路2.3 升降控制电路升降控制电路的控制对象为管状电机，其功率为145W。升降控制电路也采用 SRD-05VDC-SL-C 型继电器实现管状电机的正反转。如图 5 所示，当 Elevator_On_Off_1和 Elevator_Up_Down_1 分别为高电平和低电平时，补光灯组下降；当 Elevator_On_Off_1 和 Elevator_Up_Down_1 全为高电平时，补光灯组上升；当 Elevator_On_Off_1 为低电平时，无论 Elevator_Up_Down_1 电平高低，补光灯组停止升降。图 5 升降控制电路2.4 光照信号采集电路图 6 光照信号采集电路光照强度传感器输出信号为 420mA 电流，如图 6 所示，R36 将该信号转换为 0.63V 电压信号，运算放大器LM2902 构成电压跟随器，提高输入阻抗。R34 和 C20 构成一阶低通滤波器，截止频率为 159kHz， ADC_7 接入STM32F103C8T6 的 ADC。磁珠 FB1 和电容 C18 对电源的高频噪声进行滤除。2.5 电源电路电源电路将输入的 220VAC 转换为 +12VDC、 +5VDC、+3.3VDC。电路如图 7 所示， FUSE1 为 3.15A/300V 延时型保险，对电路进行过流保护。 MOV1 为压敏电阻，当输入过压时对电压进行钳位，吸收多余的电流以保护后端器件。安规 X 电容 CX1 和差模电感 L1 的作用是抑制差模干扰，安规 Y 电容 CY1、 CY2 和共模电感 L2 的作用是抑制共模干扰。图 7 电源电路3 系统软件设计3.1 固件程序设计如图 8 所示，系统上电后，首先对 STM32F103C8T6图 8 主程序流程外设和数据结构进行初始化，然后在主循环中检测 HMI 数据上传，当接收到数据时，表示用户正在操作触摸屏，程序根据收到的数据内容将相应的标志置位，并将相应的数据进行更新。在主循环中，每间隔 1s，读取一次光照传感器数据。此后，主循环依次执行升降控制子程序、手动补光子程序、定时补光子程序、自动补光子程序。升降控制子程序的控制思想是：当用户按下上升或下降时， GPIO 输出相应的电平，使继电器通电，补光灯组上升或下降。同时，启动定时器，定时时间为 1min，在定时器中断后将继电器断电。在上升或下降的过程中，按下停止后，继电器立即断电，并将定时器复位。定时补光子程序的控制思想是：每个通道用户每天可以设定 15 个定时任务，每个定时任务可以单独开启或关闭，程序检测到实时时钟在任何一个任务开启的定时时间段内，就置位状态标志，当 5 个标志中任何一个为“ 1”，则自动将补光灯组开启，当 5 个标志全开发研究155湖北农机化 2019 年第 23 期开发研究高频振动液化荸荠收获机设计李 旭 廖 剑 * 王 锐 卢泽民 舒虹杰 罗 欣（武汉市农业科学院，湖北 武汉 430345）：针对荸荠收获缺少适用机械，严重影响荸荠产业发展现状的现象，设计了一种无人驾驶分层式荸荠收获机。该机根据荸荠种植农艺和田间生长分布特性，采用高频振动液化原理，通过高转速液压马达驱动激振器产生高频振动实现荸荠和泥土的分离。在理论设计的基础上，完成了实物样机的制作，并进行可行性试验。试验结果表明，该荸荠收获机适用于田间长期积水的烂泥田进行荸荠机械化收获。：高频振动；液化；荸荠；收获0 引言荸荠又名马蹄，是原产中国和印度的一种水生蔬菜，以其地下茎作为食用器官，在我国已有 2000余年的栽培历史，除高寒地区外，全国各个省区几乎都有种植，我国长江流域及其以南各省以经济栽培为主。据不完全统计，截至 2015年，荸荠全国栽培面积达 5 万 hm2，其中广西 2 万 hm2，湖北0.33 万 hm2 1。传统上，荸荠采收完全依靠人工，且是在冬天进行采收，劳动条件恶劣，劳动强度大，费时费工。随着城市化进程的推进和农村劳动力结构老龄化加剧，荸荠采收困难与荸荠产业发展之间的矛盾日益突出。因此，荸荠从业者迫切期盼有更加省力和高效、能减轻荸荠采收劳动强度的机具来代替人工作业 2。近 10 年来，在有关教学、科研单位及企业的共同努力下，我国在荸荠采收机械研制与开发方面取得了一些进展，但目前未见成熟产品进行大面积试验推广或销售 3-9。1 荸荠田间生长分布特性荸荠有分株分蘖特性，定植后的荠苗，肉质茎基部顶芽向上抽生叶状茎，其侧芽向四周抽生若干根匍匐茎，在开花前的高温长日照条件下，匍匐茎横行土中生长，先端的肉质部为“ 0”，则将补光灯组关闭。自动补光子程序的控制思想是：每个通道用户都可以设置光照强度的上限值和下限值，当实时采集到的光照强度小于下限值时，补光灯组自动开启；当光照强度大于上限值时，补光灯组自动关闭；当光照强度在上下限值之间时，补光灯组保持不变。3.2 UI 设计图 9 主界面图 10 参数设置界面主界面如图 9 所示，用户可以按下主界面下方的“通道选择”后，手动进行升降操作和补光操作，也可以将补光模式设置为定时模式或自动模式。定时模式和自动模式的参数设置界面如图 10 所示，每个通道每天可以设置 5 项定时任务，通过右上角的“ +”“ -”进行增加或删除定时任务。4 结束语本文设计了一种温室升降补光控制器，通过硬件电路设计和软件程序编写，实现了升降控制、手动补光控制、定时补光控制、自动补光控制。控制器分别在武汉市农业科学院的塑料大棚、连栋温室，以及北京市农业技术推广站的日光温室进行了试验和应用，证实本控制器性能稳定、实用性强，有效地提升了光能利用率，能够为设施农业光环境调控技术提供实践上的支撑。参考文献：1李涛 ,杨其长 .设施园艺生产人工补光理论初探 J.温室园艺 ,2018(6):48-52.2王伟伟 ,马俊贵 .设施温室补光灯的应用 J.农业工程， 2014,4(6):47-50.3朱舟 ,童向亚 ,郑书河 .基于作物光照需求的温室光调控系统J.农机化研究， 2016（ 2） :192-196.4李明 ,刘娟 ,凌广明 .温室大棚 LED 智能补光自适应控制系统 J.江苏农业科学， 2018,46(11):193-196.5杨学坤 ,蒋晓 ,胡瑶玫 .日光温室补光技术的应用现状分析与对策研究 J.农产品加工， 2017（ 14） :71-74.(收稿日期： 2019-9-16)基金项目：武汉市农科院创新项目小白菜联合精量播种机与荸荠挖掘装置的研发 (CX201906)。作者简介： 李旭（ 1985-），女，湖北咸宁人，硕士，工程师，研究方向：现代农业装备设计。通讯作者：廖剑（ 1985-），男，湖北荆门人，硕士，工程师，研究方向：现代农业装备设计。