基于时光双控的温室卷帘智能控制器设计

穆元杰 赵庆柱 尚明华 李乔宇 刘淑云 王富军

摘要 针对温室卷帘控制智能化程度低的现状，提出了一种基于时光双控的智能卷帘控制器。该控制器以时间与光照强度作为决策依据，实现卷帘器的智能控制，有效解决了卷帘被过卷问题，并提供了一种无人看守的卷帘智能控制方法。验证试验表明，基于时光双控的温室卷帘智能控制器系统运行稳定，性能可靠。

关键词 温室;卷帘机;控制器

中图分类号 S-220;TP-391  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）22-0209-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.053

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Intelligent Controller for Greenhouse Roller Shutter Based on Dual-parameter Control of Time and Light Intensity

MU Yuan-jie，ZHAO Qing-zhu，SHANG Ming-hua et al

（Institute of Agricultural Information and Economics， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan， Shandong  250100）

Abstract In view of the low intelligent control degree of greenhouse roller shutter， this paper proposed an intelligent rolling controller based on the dual-parameter control of time and light intensity. The controller used time and light intensity as the decision-making basis to realize intelligent control of the roller shutter machine. The controller effectively solved the problem of over-rolling the roller blind， and provided an unattended intelligent control method for the roller blind. The verification experiment showed that the intelligent controller for greenhouse roller shutter based on the dual-parameter control of time and light intensity worked  stably and had a reliable performance.

Key words Greenhouse;Roller shutter;Controller

日光溫室产业作为我国设施农业产业中的主体，解决了长期困扰我国北方地区冬季的蔬菜淡季供应问题[1]。随着生活水平的不断提高，冬季人们对新鲜蔬菜的需求量不断增加，极大地促进了日光温室产业的发展。日光温室具有透光、保温的特点，白天通过日光使温室内保持一定温度，夜晚依靠保温被保暖。日光温室的特点决定着必须进行保温被的卷放作业[2-3]。现阶段保温被的卷放作业已由人力收放作业转变为通过卷帘机完成[4]。卷帘机的广泛使用不仅节约了人力，而且让卷帘作业控制方式更加多样化、智能化。

目前卷帘机控制方式大多采用倒顺开关控制、机械限位控制、延时控制以及智能控制技术[5]。崔玉祥等[6]提出了一种定时控制的日光温室卷帘机控制器，同时提出了一种通过温室内外光强、温度差控制的智能卷帘机控制器，该控制器通过延时控制来防止过卷[7];裴雪等[8]提出了一种基于温光耦合模型的智能温室卷帘机控制设备，并通过安装红外对射限位开关防止过卷;曹瑞红等[9]提出了一种日光温室卷帘及通风口控制系统，并安装机械限位方式来防止卷帘棉被过卷问题;石建业等[10]提出了一种通过定时方式自动控制卷帘升降控制器，并通过安装限位开关来防止过卷。卷帘机的智能控制中多以温度、光照强度为参数，通过设置阈值方式进行控制，该方式多存在误动作问题;在防过卷问题上，大多采用延时控制及机械限位2种方式，延时控制方式不能解决电机打滑带来的误差以及中途停止无法继续自动控制问题，机械限位方式经常压不到或碰不上限位开关[5]。

为解决当前卷帘机控制存在的问题，笔者提出了一种基于时光双控的卷帘机智能控制器。该控制器通过时间与光照双重方式实现卷帘机防过卷及智能控制。

1 控制器总体方案设计

所谓时光双控即利用时间与光照强度2个参数实现对卷帘器的控制。在智能控制方面通过设置升降卷帘（被）时间及光照强度阈值实现卷帘器的自动控制;在防过卷方面，利用光照强度传感器替代传统的机械限位器，通过在温室上下两端安装的光照强度传感器的数值跳变监测卷帘升降是否到达上下两端，同时增加升降过程中运行时间参数避免光强传感器出现问题导致过卷以及电机打滑带来的无法升卷帘但电机无法停止工作问题。基于时光双控的温室卷帘智能控制器由智能控制模块、STM32主控制器、光照传感器、交流接触器模组、电源模块等部分组成，具体拓扑结构如图1所示。智能控制模块主要实现人机交互、与云平台及STM32主控制器通信功能;STM32主控制器主要用于传感器数据的采集、传输，接收智能控制模块传来的控制命令控制卷帘机进行相应动作;交流接触模实现卷帘机工作方向选择控制;电源模块为各个模块提供电能。

2 控制器硬件方案设计

2.1 智能控制模块

智能控制模块采用昆仑通泰TPC7062Ti触摸屏。TPC7062Ti是以Cortex-A8 CPU为核心（主频600 MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏，数据处理能力强大;同时，它拥有7英寸TFT液晶显示屏（分辨率800×480），并预装了MCGS嵌入式组态软件，可实现良好的人机交互功能。智能控制模块TPC7062Ti通过以太网接口实现与云平台间的数据通信，并通过USB接口实现与STM32主控器的数据交互。

2.2 STM32主控器

主控制器采用意法半导体公司生产的STM32F103系列单片机，工作频率72 MHz，单片机配套电路制造成PCB形式电路板。STM32主控器电路拥有电源连接口、2个交流接触器输出口，4路485接口。主控器与3路光照强度传感器（JXBS-3001-GZ型号）通过1路485接口采用MODBUS通讯协议通讯，3路光照强度传感器包括一路上限位光照传感器、一路下限位光照传感器和一路外部光照传感器，分别安装于温室的内侧顶部、内侧底部和外部无遮挡处，其高度可根据卷轴位置、棚内作物特点或当地日照角度等灵活设定。主控器与交流接触器（CJX2-1810）模组通过交流接触器输出口连接，并实现卷帘机正转、反转的控制。具体硬件设计如图2所示。

2.3 电源模块

电源输入为三相380 V交流电，卷帘电机为三相交流电机，根据输出相序的不同，控制卷帘电机转向不同从而实现卷帘放帘。通过电源转换模块（香港明纬D-120C）转换为24 V直流电压为STM32主控器、TPC7062Ti触摸屏供电。热继电器（震康JR28系列）的主要作用是在电流过大时自动断电，热继电器和空气开关（德力西微型断路器HDBE634C10）形成了双重过电流保护机制。

3 控制器软件方案设计

3.1 智能控制模块软件设计

智能控制模块通过MCGS组态软件编写上位机界面，该模块主要实现人机交互，决策控制，与云平台、主控器间通信三部分功能。

3.1.1 人机交互界面主要包括主界面、系统设置界面两部分。主界面中显示卷帘状态以及手动控制按键（手动控制卷帘收帘、放帘与停止）;系统设置界面中可对收/放帘运行时间、上下光照强度限位阈值进行设置，同时显示工作运行中故障（如收/放帘不到位或过卷）。主控器卷帘控制信息配置界面如图3所示。

3.1.2 决策控制功能。决策控制主要包括时光自动控制决策、云平台控制决策以及手动按键控制决策三部分。①时光自动控制决策。根据系统设置中设置的收/放帘时间及收/放帘满足的光照强度阈值、外部光照传感器数值自动生成控制决策信号;同时，查询当前的卷帘状态，若状态满足调控则发送控制信号至STM32主控器。以收帘为例，系统设置收帘时间为08：00，同时设置的收帘光照阈值为3 000 lx，若二者同时满足，则系统会查询卷帘的状态是否为已放帘，若是则向主控制器发送收帘指令;若二者同时满足，但卷帘已经通过云平台或手动控制已经收起，则系统默认不会再次发送控制指令。② 云平台控制及手动按键控制决策：云平台下发控制指令及手动按键发送控制指令后，系统如同时光自动控制决策中的描述，只有当卷帘当前状态满足控制条件，才可以向STM32主控制器发送控制指令。

3.1.3 通信功能。①与云平台通信功能。接收云平台下发的卷帘控制指令;卷帘机以时光控制自动控制或是手动按键方式、云平台控制时，智能控制器会将卷帘状态同步上传至云平台。②与STM32主控器通信。智能控制模块会将卷帘控制信息下发至主控器，同时接收主控器反馈的卷帘控制开始、停止信息以及卷帘控制状态、故障信息;智能控制模块对卷帘控制信息配置时，会将收帘时间上限、放帘时间上限、上限位阈值、下限位阈值发送至主控器;主控器会实时向智能控制模块上传外部光照传感器数值。

3.2 STM32主控器软件设计

STM32主控器软件首先实现传感器数据的获取功能：通过定时轮询的方式获取3个光照强度传感器的数据，并将外部光照强度传感器的数值上传至智能控制模块。有串口数据到达时，判断数据为配置信息还是控制指令。若为配置信息，则将其存储在EEPROM中;若为控制指令，则根据具体指令发送开始收/放帘控制信号。信号发送后，首先判断是否达到时间阈值条件，若达到条件则说明限位光强传感器未触发，发送停止收/放帘，同时向智能控制模块发送收/放帘不到位故障及卷帘控制停止信息;若未达到时间阈值条件，则获取上/下限位光照强度传感器实时数据，并判断是否满足限位阈值条件，若满足条件则向智能控制模块发送收/放帘到位信息及卷帘控制停止信息，若不满足条件则循环判断。具体流程如图4所示。

4 系统验证

为验证系统的实用性与可靠性，在济南历城区一个实验温室部署安装一套温室卷帘智能控制系统。同时，设定时光自动控制的时间阈值为07：10、光照阈值为2 300 lx收帘，时间阈值为17：40、光照閾值为2 500 lx放帘。可通过远程视频监控卷帘机运行状况（图5），同时在温室内安装一路光照强度传感器，通过传感器数值的突变监测收放帘的具体时间。图6为3月18日、22日温室内光照强度传感器07：00—08：00，17：30—18：30的变化。

经过一年的实际运行发现，卷帘控制器可根据预设时间及光照强度阈值自动控制卷帘器工作，并可兼容平台远程控制及本地手动控制;运行期间未出现过卷问题，大大降低了劳动强度，减少劳动时间。

5 结论

针对温室卷帘控制智能化程度低的现状，笔者提出了一种基于时光双控的智能卷帘控制器。该控制器以时间与光照强度作为决策依据，有效解决了卷帘被过卷问题，并提供了一种无人看守的卷帘被智能控制方法：防过卷方面，利用光照传感器替换传统的机械限位开关，并融合时间参数避免卷帘被过卷;智能控制方面，通过设置升降卷帘（被）开启时间及光照强度阈值实现卷帘器的自动控制。试验验证结果表明，基于时光双控的温室卷帘智能控制器系统运行稳定，性能可靠。

同时，该控制器存在一定的问题，比如在智能化控制方面仅通过时间与光照强度对卷帘进行全收和全放控制，未考虑温度等因素。今后将充分考虑温度、光照、时间及特殊天气等因素对卷帘控制的影响，提升温室卷帘控制器的智能化程度。

参考文献

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[4] 张国祥，傅泽田，张领先，等.中国日光温室机械卷帘技术发展现状与趋势[J].农业工程学报，2017，33（S1）：1-10.

[5] 崔玉祥，赵亮，赵慧芳，等.日光温室卷帘机控制技术现状及发展研究[J].农业技术与装备，2019（4）：50-51.

[6] 崔玉祥，赵慧芳，赵亮，等.日光温室卷帘机控制器设计与试验[J].湖北农业科学，2020，59（17）：161-165.

[7] 崔玉祥，赵慧芳，赵亮.基于STM8的温室卷帘机控制器设计[J].农业技术与装备，2020（1）：21-23.

[8] 裴雪，范奥华，刘焕宇，等.基于温光耦合的温室卷帘机控制设备开发[J].农机化研究，2018，40（4）：83-86.

[9] 曹瑞红，李晋蒲，赵建贵，等.日光温室卷帘及通风口控制系统研制[J].江苏农业科学，2020，48（5）：219-226.

[10] 石建业，罗有中，王娇敏，等.日光温室卷帘机自动控制技术研究与应用[J].中国农业信息，2017（4）：77-79.