基于嵌入式控制器的微型植物工厂系统设计

贾鹤鸣，朱传旭，宋文龙，杨泽文

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

基于嵌入式控制器的微型植物工厂系统设计

贾鹤鸣，朱传旭，宋文龙*，杨泽文

(东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150040)

采用以ARM为核心的低功耗、高性能的STM32单片机，研发一种适用于实验室或家庭的桌面级微型植物工厂。该微型植物工厂是对大型植物工厂技术的浓缩，能够在较小的空间中进行精准的温湿度控制、光照强度光质比例控制和营养液循环控制，为植物提供一个最适宜的生长环境。系统采用大功率RGBLED作为照明光源，相比于传统照明设施，LED光源具有效率高、亮度大、寿命长等优点。由于大功率RGBLED长时间工作发热量较大，所以在灯组后加入水冷散热系统，并接入营养液循环系统，不仅利用了散发的热量，而且降低了LED的温度，延长了使用寿命，更加节能环保。

植物工厂；环境因子控制；嵌入式系统；STM32；LED

0 引言

近些年，随着现代化农业技术的不断进步，植物工厂及其相关技术也得到了飞速的发展。植物工厂的发展不仅可以满足人们对安全无公害的农作物的需求，而且对解决由于环境污染、人口增加带来的耕地减少、粮食短缺等多种社会问题也有着很大的帮助[1-2]。

微型植物工厂是对大型植物工厂技术的浓缩，它可以在较小的密闭空间中通过智能控制系统精确控制植物生长所需的环境因子，为植物提供一个温湿度适宜，光照、养分充足的生长环境。在日本，荷兰，美国等植物工厂技术比较发达的国家，不仅将物联网[3]、温差发电[4]等先进技术应用在植物工厂中，而且家用级的微型植物工厂已经研发完毕并得到广泛应用。它不仅可以净化室内空气，美化生活环境，而且可以提供绿色有机、安全无公害的蔬菜，满足了人们的日常需求[5]。但在我国由于受植物工厂研究起步较晚、技术不够成熟等因素的限制，微型植物工厂的开发和应用还处于研究和探索阶段[6]。

传统的植物工厂控制系统大多采用PLC作为主控制器，但PLC体积过大，不利于将植物工厂微型化[7]。本文针对以上问题，设计了基于嵌入式控制器的微型植物工厂控制系统。由于ARM 内核的处理器有着低功耗、高处理速度等优点，非常适合在嵌入式系统中使用，所以本文选择基于ARM Cortex-M3内核STM32F103单片机作为系统的主控芯片。

1 植物工厂控制系统总体设计

1.1 控制系统结构组成

整个控制系统分为单片机系统，人机交互系统，环境调控系统，传感器系统和数据存储系统。控制系统的整体结构框图如图1所示。

图1 控制系统的整体结构框图Fig.1 The overall structure of the control system block diagram

人机交互系统由液晶屏幕和触摸屏组成。屏幕采用3.2英寸TFT液晶屏，可以实时显示系统的环境因子信息和控制参数。通过XTP2046触摸屏控制IC驱动的4线制电阻触摸屏，可以进行人机交互，实时修改控制参数。

传感器系统包括光照强度传感器，颜色传感器、温、湿度传感器和 浓度传感器，传感器个数经过优化确定为10个，光照强度传感器、颜色传感器、浓度传感器各两个，温、湿度传感器共四个，分别均匀分布在上下两层[8]。通过光强传感器和颜色传感器可以采集到光照强度和光质比例信息；温、湿度传感器可以精确的采集到空气温、湿度信息；CO2传感器可以实时检测箱体内部的CO2浓度。

STM32单片机是整个控制系统的核心，它通过处理分析传感器采集回来的温度、湿度、光强等信息，来发送命令控制继电器的通断、LED的亮度和水泵的转速，使各个环境调控机构协调工作，从而在微型植物工厂内部形成一个适合植物生长的环境。

1.2 控制系统工作过程

STM32单片机定时向各个传感器发送数据采集命令，传感器接收到命令后将数据发送给单片机，经过分析处理后，首先将数据存入SD卡，再根据已经设定好的植物生长所需的环境因子的阈值来判定各个继电器的通断，进而控制水泵、加热管、制冷器等设备的开启或关闭；同时改变PWM波的点空比，进而控制LED补光灯的亮度。由于STM32单片机不断循环着上述过程，不断检测、控制环境因子，因此构成了一个闭环的控制系统。

光是影响植物生长发育的重要环境因子之一，植物的生长、形态建成乃至植物体内的基因表达均具有重要的调控作用[9]。植物在它的整个生长发育周期中始终处于一个不断变化的光环境中。这就要求微型植物工厂内部的光源可以按植物的需求调整不同的光照强度、配置不同比例的光质。传统的人工光源主要包括白炽灯、荧光灯和钠灯等，但这些光源都存在着发光效率低、能耗大和光谱不匹配等弊端[10-11]。LED作为新一代的光源发出光的半波长波动幅度小于30 nm，可以实现高纯度单色光的设置，同时还可以进行精准的配比，形成与植物光合作用基本吻合的光谱[12]。此外，LED光源的光能利用率高，节能效果好，为农业照明的生产应用，尤其是植物工厂及植物补光等领域提供了优质的人工光源。所以系统采用了高亮度的RGBLED灯组为整个系统进行补光，通过PWM控制可以精确的控制光质的比例和光照强度，有利于提高农作物的产量。

微型植物工厂内部环境中的CO2、O2等气体与外部气体交换是通过循环风扇控制的。循环系统的结构如图2所示。外部气体通过外循环风扇进入气体准备区，然后将空气调整到合适的温度和湿度，再开启内循环风扇，将空气送入植物工厂内部。循环风扇的开启和关闭是定时控制的。而内部的温、湿度控制则是按照事先设定好的阈值自动控制。在温度低于设定值时，开启加热器，热空气从植物工厂底部向上运动，通过风扇将热空气均匀分布；当温度过高时则开启制冷器，重复上述过程；同样湿度也遵循上述控制方式。

(a)循环系统主视图

(b)气体准备区侧视图图2 循环系统结构图Fig.2 Circulation system structure1.外循环风扇 2.加热器 3.制冷器 4.加湿器5.内循环风扇

微型植物工厂是靠营养液来给植物提供养分的。所以植物根部营养液的流速和温度也影响着植物的生长。营养液循环系统结构如图3所示。营养液的流速是靠入水管和出水管处的水泵的转速控制的。植物工厂内的流速计将流速信息传到STM32单片机，经过分析处理后，控制器通过PWM控制水泵的转速，从而控制营养液的流速。营养液温度的控制是通过加热器和制冷器的开启或关闭实现的。由于高亮度LED灯组在长时间工作后也会产生大量热量，所以在LED灯组上添加水冷散热器，通过水泵使营养液在散热器中流动，既带走LED的热量，减少加热器的启动时间，节约能源，有起到了给LED灯组降温的作用，延长LED灯组的使用寿命[13-14]。

(a)营养液循环系统

(b)LED水冷板图3 营养液循环系统结构图Fig.3 Nutrient solution circulation system structure1.加热器 2.制冷器 3.水泵 4.液位传感器5.流速传感器图

2 系统硬件设计

2.1 单片机系统

传统的植物工厂大都采用PLC做为整个系统的主控制器，这使得整个系统的成本很高，而且体积很大，不利于缩小系统体积。本文针对以上问题，设计了基于嵌入式系统的微型植物工厂控制系统。该控制系统采用STM32F103单片机作为系统的主控芯片，该单片机是基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低功耗的控制器，工作频率达72MHz，集成了512 KB FLASH和64KB SRAM，具有I2C、SPI、USART、FSMC、SDIO等接口模块，并且具有8个16位的定时器，满足本系统的设计要求[15-18]。

2.2 传感器系统

该系统主要包括温、湿度传感器、CO2传感器、光照强度传感器和颜色传感器。温、湿度传感器采用DHT11数字温湿度传感。它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它的体积小、功耗低，抗干扰能力强，信号传输距离可达20 m以上。该传感器采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。光照强度传感器采用BH1750FVI型数字传感器，该传感器内置16bit高精度A/D转换器，可检测到的光照度范围为1～65 535 lx，精度可达1 lx，采用标准I2C总线连接方式，能方便的与STM32单片机I2C总线接口通讯，实现光照强度信息采集。检测采用MGS811电化学型模块传感器，此传感器自带温度补偿，可以输出0～2 V的模拟电压，测量范围为0～10 000 ppm，精度为1 ppm，完全满足系统需求。颜色传感器采用TCS3200传感器，该传感器可以直接输出RGB值，方便控制各种光质的占比。以上传感器的电路如图4所示。

图4 传感器的电路Fig.4 The circuit diagram of the sensor

2.3 数据存储系统

由于系统需要记录植物工厂的各个时间段环境因子的信息，所以系统选用一个2GB的MicoSD卡来存储信息。SD卡的读写可以选择SDIO模式或SPI模式，但SPI模式的读写速度慢于SDIO模式，且STM32单片机具有SDIO接口，所以系统采SDIO模式接线方式，STM32单片机与SD卡的连接电路如图5所示。SDIO模式下单片机需要4根数据线与SD卡进行通信，且每根数据线需要接10 KΩ上拉电阻。CLK为时钟线，由SDIO主机产生，即由STM32控制器输出；CMD为命令控制线，SDIO主机通过该线发送命令控制SD卡，如果命令要求SD卡做出响应，SD卡也是通过该线传输响应信息。

图5 STM32单片机与SD卡的连接电路Fig.5 Connection circuit between STM32 MCU and SD card

2.4 环境调控系统

植物工厂中有很多风扇、加热器等大电流高电压的设备，STM32单片机的GPIO驱动能力有限，不能直接驱动这些设备，所以通过继电器来控制这些被控设备。同时为了减小设备在启动或关闭时带来的电流或电压的波动，在控制器和被控设备间增加光耦 TLP521-4来增强系统稳定性。同时在电路设计上将该系统的电源和接地与控制系统的电源和接地分离开，减少相互干扰。环境调控系统驱动电路如图6所示。

系统中的LED的亮度和水泵的转速需要通过PWM信号进行控制，同样STM32单片机的GPIO输出PWM信号的能力有限，需要驱动电路来控制这些设备。这里选用两个AOD4184型MOS管并联组成的驱动电路。该驱动电路内阻更小，驱动电流更大，常温下驱动电流可达10 A。MOS管驱动电路如图7所示。

图6 环境调控系统驱动电路Fig.6 Environmental control system drive circuit

图7 MOS管驱动电路Fig.7 MOS tube drive circuit

3 系统软件设计

3.1 系统软件控制流程

控制系统的主要任务是对微型植物工厂内部的各个环境因子数据进行采集、处理和存储，通过人机交互界面改变各参数的控制要求，从而实现对工厂内部环境的人为控制，最终使植物工厂内部的温度、湿度和光照强度的等环境因子根据植物不同生长阶段的需求而变化，并维持在适宜植物生长的范围。

STM32单片机的中断系统非常强大，每个片上外设都可以产生中断。F103系列单片机在内核水平上搭载了一个异常响应系统，支持为数众多的系统异常和外部中断。其中系统异常有8个，外部中断有60个。除了个别异常的优先级被固定外，其它异常的优先级都是可编程的。所以本系统以中断控制为核心，通过单片机响应不同优先级的中断来完成对各个环境因子的控制。该系统将环境因子的控制分为4个中断服务程序，分别为LED亮度控制中断服务程序、温湿度调整中断服务程序、营养液调整中断服务程序和气体置换中断服务程序。软件控制流程如下：

首先，系统对各部分硬件进行初始化，主要包括系统时钟初始化，SDIO接口初始化，FSMC接口初始化，GPIO初始化等。初始化结束后，各个传感器已经处于正常工作状态，STM32单片机发送指令，采集因子信息，同时判断是否达到设定SD卡写入时间，如果达到则将采集回来的数据信息通过SDIO接口写入SD卡。随后判断各环境因子超限中断是否到来，如果有一个或多个中断到来则按照事先约定的中断优先级顺序依次执行。执行完毕后返回主程序，继续采集环境因子信息，循环上述过程。控制系统的流程图如图8所示。

图8 控制系统流程图Fig.8 Control system flow chart

3.2 人机交互界面设计

植物工厂的控制与参数设置主要是通过人机交互界面来完成的，因此该界面的设计就变得非常重要。液晶屏的主界面主要显示当前系统的运行时间、运行模式，以及各个环境因子的控制范围和实时数据。在主屏界面的上方设置了“时间设置”“模式选择”“数据管理”三个子界面按钮，在触摸屏上点击相应的按钮就可以进入对应的子界面，从而进行对各个参数的详细设置。在时间设置界面中，操作者可以对系统的当前时间以及运行时间进行设置；在数据管理界面中，操作者不仅可以对系统中记录的所有数据进行浏览，而且可以导出或删除数据；在模式选择界面中，操作者可以根据需要选择自动模式或者手动模式。自动模式中可以按照植物的需求设置不同生长阶段的时长以及该阶段环境因子的变化范围，手动模式中控制各个执行机构的启停。人机交互界面的框图如图9所示，人机交互界面的截图如图10所示。

图9 人机交互界面框图Fig.9 Human-Computer interface block diagram

图10 人机交互界面截图Fig.10 Human-computer interface screenshots

4 结论

本文设计了一种适用于实验室或家庭的桌面级微型植物工厂。该系统采用STM32F103单片机作为植物工厂的主控芯片，其丰富的接口和较高的性能，完全满足控制要求。通过STM32单片机强大的中断系统实现了对工厂内部的温度、湿度、光照强度和光质比例等环境因子的实时监控。同时系统还设有人机交互界面，通过液晶屏实时显示系统的运行状态，触摸屏随时改变系统各项参数，操作方便。系统采用大功率LED作为植物补光光源，通过PWM控制就能改变光照强度和光质比例，方便高效。由于大功率LED长时间工作的发热量较大，所以在LED灯组上加装水冷散热板，并接入营养液循环系统，同时解决了LED散热和营养液加温的问题，节能环保。

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Design of Mini-Plant Factory System Based on Embedded Controller

Jia Heming，Zhu Chuanxu，Song Wenlong*，Yang Yiwen

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In this paper，an ARM-based，low-power and high-performance STM32 microcontroller is used to develop a desktop mini-plant factory for laboratory or home use.The mini-plant factory is a concentration of large plant factory technology，which can precisely control temperature，humidity，light intensity，light quality ratio and nutrient circulation in a small space and can provide an optimum environment for the growth of plants.High-power RGBLED is used as light source because it has the advantages of high efficiency，high brightness，long life and so on compared with traditional lighting.If the high-power RGBLED worked for a long time，it will generate a lot of heat，and therefore a water cooling system is added to the lighting and is connected to the nutrient liquid circulation system.The whole system not only makes use of the distributed heat，but also reduces the temperature of the LED.This design extends the service life of LED，saves more energy and protects the environment.

Plant factory；environmental factor control；embedded systems；STM32；LED

2017-03-14

中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572014BB03)；国家自然科学基金项目(31270757；31470714)黑龙江省研究生教育创新工程资助项目(JGXM_HLJ_2016014)

贾鹤鸣，博士，副教授。研究方向：基于植物生体信息的最适环境控制

*通信作者：宋文龙，博士，教授。研究方向：智能控制与检测技术。E-mail：wlsong@126.com

贾鹤鸣，朱传旭，宋文龙，等.基于嵌入式控制器的微型植物工厂系统设计[J].森林工程，2017，33(4)：58-64.

TP 273

A

1001-005X(2017)04-0058-07