基于STM32的精准定位卷帘机控制器开发与研究

张晓霞

（甘肃机电职业技术学院，甘肃天水,741001）

0 引言

近几年随着国家一带一路政策的实行，农业领域得到了政府的高度重视，河西一带等多个地区的众多农业园区已在政府的大力扶持下初见规模。各个地区的农业大棚数量迅速增长，也相应的刺激着卷帘机市场需求不断扩大。现有的普通卷帘机控制器安装需要布设繁琐的电线电缆以及很多的机械限位开关，这些限位开关不仅自身具有一定的缺陷，而且还破坏了整体结构，给以后的维护增加了很大的一部分成本。如果机械开关一旦失效，整个卷帘就会从棚顶掉到高墙的后面，造成损失。随着工业生产自动化技术的开发，农业在今后的发展也对自动化的提出了更高的要求[1]。目前大规模的农业温棚环境中使用了自动控制技术，取得了一定的经济效益，但我国大部分地区还是分散实施温棚种植。由于各片区大棚建设不够规范。现有的控制系统成本高，并且很难实自动化管理。本文在通过实地考察西北河西地区农业园区各类型温棚，分析现有温棚卷帘、浇灌等技术存在的问题，借鉴大规模温棚控制系统的优势，提出一套能满足中小规模温棚智能控制系统，彻底解决中小规模温棚种植发展中的系列问题。

1 研究现状

目前，我国在温室自动控制控制技术和设备应用方面的总体水平还不是很高。近年来，中央政府对“三农”问题越来越重视，对我国农业的快速发展和自动化控制提出了更高、更强的要求。我国研制生产的温室控制产品在质量和性能方面与发达国家仍有较大差距，但差距正在缩短。国内研制的温棚控制系统存在功能较少、成本较高、普通农户操作难度大等问题。

西方国家为了获得更大的效益和竞争农产品的世界市场份额，大幅增加对农业自动化的投资，使微电子技术、自动控制技术在农业自动化中得到了广泛的应用，温棚通过计算机达到了自动控制和管理，摆脱了人工栽培在自然条件下非实时、夜间无人看管等局限性[2]。

随着工业生产自动化技术的发展，目前在大规模的农业温棚环境中使用了自动控制技术，取得了一定的成效，但我国大部分地区还是分散实施温棚种植，尤其在西部，都是以村为单位集中种植，现有的智能控制系统单套价格均在万元以上，其成本高，采用了多模块集成技术，性能不稳定，不适用单个家庭或村级单位使用。

2 理论依据

日光温室智能控制系统根据农作物生长数据采集后通过自动决策和选择控制参数，目标是为农作物提供最有利的生长环境。这是是一种交叉融合技术，跨越人工智能理论、数据库技术、信息技术、生物学和电子科学等学科，涵盖了多种高科技前沿学科[3]，这对对社会经济的发展具有深远的意义。因此本文旨在分析现有温棚卷帘、浇灌、补光技等技术存在的问题，借鉴大规模温棚控制系统的优势，提出一套能满足中小规模温棚智能控制系统，彻底解决中小规模日光温室农作物种植发展中的系列问题。

3 总体设计

基于STM32的精准定位卷帘机控制系统以STM32F103 C8T6微控制器为主控芯片，结构由七部分组成如温度采集模块、湿度采集模块、光照强度采集模块、键盘输入模块、数码显示模块、自动驱动模块、远程控制模块；采用分散采集和集中数据处理的方式达到自动控制，并具有远程控制和手动控制模式功能。设施农业日光温室大数据分析涉及到近三年日光温室农作物种植季节分布情况、农作物生长环境基本指标分析、设施农业中小规模型种植现有技术情况等，硬件部分涉及到各种传感器的应用技术（湿度检测、温度检测、光照检测）、电机驱动技术、核心控制电路设计、数据通讯技术、数码显示技术、远程控制技术和模数转换技术，软件部分涉及到大数据理论分析的验证、主控器的程序设计、采样器的逻辑设计等。日光温室智能控制系统能够检测和采集各种环境参数，并将其转换成数字信号传送给主控制器。主控制器对接收到的数字信号进行运算处理之后可以对各执行单元进行控制。软件设计采用模块化编程，软件开发均采用C语言，实时性强。主要程序模块包括系统监控程序、时钟模块控制程序、A/D转换程序、系统显示模块程序等[4]。

本文在详细了解国内外温室控制技术发展趋势和前沿技术的基础上，分析了温室卷帘、浇水、补光技术存在的问题，设计了一套新颖可靠的控制方案，细化到每个具体的技术细节。

3.1 硬件系统设计

基于STM32的精准定位卷帘机控制系统的硬件框图如图1所示。

图1 智能控制系统框图

基于STM32的精准定位卷帘机控制系统的硬件设计主要包括采样器电路及主控制器电路。主控制器完成与采样器之间的通信，采样器对温室内的温度、湿度、光照等信号进行检测，并将检测到的数据传输给主控制器。根据主控芯片的处理结果，主控芯片可以对温室的环境参数进行控制。主控制器外围设备包括显示模块、键盘、水泵、驱动电机、系统故障报警蜂鸣器[5]。主控制器和采样器的外部驱动控制由继电器完成。继电器驱动电路采用集电极开路的晶体管驱动电路，由继电器的通、断控制外置电机的转动。为了提高系统的稳定性和可靠性，可以从过程通道、供电系统和印刷电路板等硬件方面进行抗干扰设计[6]。其中外置电机启动为电流自动调节的软启动方式。这种启动方式克服了传统的简单延时加速控制可能出现的较大启动冲击电流和强烈的反冲震动，它能自动调节电机电流至接近配置的工作电流，电机启动迅速而无强烈的反冲震动；电机制动为电流自动调节的能耗制动方式。此能耗制动方式非传统简单地将刹车电阻并在电机电源线上或对电机电源线直接短接，而是由 MOS 管产生恒定的制动电流，可将电机的动能迅速地释放到能量消耗器件上，以实现电机在短时间内制动而无强烈的冲击震动。

3.2 软件设计

控制器系统采用C语言作为程序设计语言。用Kei1C51软件编写了主控制器和采样器的程序。系统的各功能分别编写功能函数程序，便于调试。系统终端的控制方式有两种：通过定时方式进行人工控制和遥控器控制。采样器程序流程图如图2所示。

图2 采样器程序流程图

部分控制程序如下：

3.3 主要实现功能

一是要求系统响应快，工作可靠性强。系统投入运行后，所有元器件采用防水、防锈、防辐射器件，能够保证温棚中培育作物的安全，温室的控制应严格按照温室中作物阶段性的生长规律进行，在每个阶段都要确保室内环境的温度、湿度和光照指数满足要求；二是考虑农户使用，尽可能减少系统成本，使该控制系统在保证良好的社会效益的前提下尽可能达到增产降耗，使之成为让广大农户用得起、用的放心的一个系统[7]；三是测量数据准确，确保控制响应同步进行。智能控制系统采用了多种传感器，设置在不同地方，所有数据全部传入主控制器，进行PID调节，对数据的采集、处理、反馈等技术要求较高，做到控制响应同步化。四是编程简单化，远程控制能实现1-N控制模式。智能控制系统在软件程序编写时，考虑的稳定性等要求，要求反复试验，选取最佳程序运行。远程控制不但能实现一座温棚的控制，同时能够满足冷凉灌区多座温棚的控制[8]。

4 结论

本文针对在农村温室种植中主要存在四个问题提出了解决方案和技术研究。一是温棚种植者多为中老年人和妇女，其体力缺乏、无设备操作技术；二是现有大部分温室均采用的机械卷帘模式，需要农民到每个温室进行操作；三是部分农业园区引进了自动卷帘技术，但还是需要操作人员实地操作；四是冷凉灌区气温很不稳定，寒流、沙尘天气频繁出现，农户多数采用蜂窝煤补充温度，对农作物生长极为不利[9]。针对以上四个问题，本文研究的智能控制系统应用于冷凉灌区日光温室后，能解决现有智能控制器功能单一、成本高昂、不稳定、操作复杂等问题；能解决现有的单一控制方式，将实现1-N控制模式，即无需操作人员到每个温室进行操作，就可以实时查看多个温室的动态信息，实现一人对多个温室的自动控制，提高了农业生产效率，解放了劳动力；能解决自动灌溉问题和自动补光升温问题，实现了节约用水并减少化肥及农药的用量，从而降低了农产品的成本，显著提高农户的生产效率和经济效益，特别适合现有温棚种植农户[10]。

（1）温度控制:温室内的温度是采用温度传感器进行检测的。当温度过高时系统自动卷帘进行降温;当温度过低时实现自动放帘，达到升温的目的。

（2）湿度控制：通过湿度传感器检测土壤的湿度，当湿度过高时对温室进行通风功能并停止灌溉；当湿度太低时，驱动浇灌系统实现自动按需灌溉功能，在保证农作物正常生长情况下，实现节水。

（3）夜间补光控制：在夜间温棚光照度很低，为增强光照度可控制电光源对农作物进行补光；在白天如果光照度太强可打开遮阳网，以减小光照强度。