温室无害生长植物工厂智能监控系统.pdf

2 020 年第 11 期 辨 别机械的运行情况 涵盖机械设备故障 机器维修等情况 长 时间从事机械管理的基层人员 可以只听声音的问题从而分别 出机械是否出现故障 要最大化显示出基层农机人员在农业机 械管理上的效用 可以及时安排基层工作者展开机械管理专业 知识的培训 鼓舞基层人员主动参加 派出优秀基层农机人员展 开机械管理指导工作 高效提升机械设备的安全管理成效以及 提升运用时间 2 5 加强安全生产管理 安全生产生呈现在各个方面 标准化安全管理在农业机械 管理中的运用 重点展现在策划一致的安全准则以及规章制度 改进执法管理的方式 创新安全管理举措等方面 并且还必须规 范农业机械岗位的入职条件 并且 因为农业机械生产是大规模 生产的环节 因此各类安全检查 监督管理都必须要清晰 透明 化 并且督促群众自行行使自身的监督权限 有助于高效提升管 理人员以及工作人员的觉悟 2 6改进农业机械管理体系 农业机械管理是提升生产成效 提升农民生活质量的关键 举措 伴随着科学手段的持续发展以及完备 机械化管理在农业 生产中的运用逐步趋于常态化 要想更好的达成机械化管理的 优越性以及社会价值 改进管理是必须进行的 首先 必须普及 农业机械化管理的有关知识 涵盖以乡镇作为单位成立的有关 管理团队 以农技站作为骨干牵头示范 将完备的安全管理知识 深入到乡镇 村的安全管理制度中 经过定点创建机械安全管理 机构 组织专业工作者以及管理工作者进行指正 科学优化资源 配 置 完备 硬 件基 础 设 施 管理等举措 全面完成农机安全管理的 顺利 进行 最 终 还必须 强 化机械安全管理 涵盖定 期 检修以及 保养 3 结语 随着 我国 经 济 的持续发展 农村现 代 化进 程 的逐步 推 进 农 业机械化的 应 用范 围 越 来 越大 农业机械化安全生产 也 面 临 着 非 常 多 的问题 只有 由政府 牵头 镇农机站 做 好安全管理 各村 委 会 协同 配 合 群众 积极 参 与 各 部门和 单位明 确 职 责 强 化 责 任 才能确保 农机安全生产工作 取得 成效 参考文献 1 许占华 农业机械田间作业转向时应注意的事项 J 农机 使用与维修 2018 000 011 68 2 范宝红 安全管理模式在农业机械管理中的应用研究 J 农民致富之友 2018 000 013 152 1 制作方案 1 1比较与选择 1 1 1单 片 机 型号选择 微型植物 工 厂采 用 STM32F103RCT6 单 片 机 该 单 片 机为 ARM 架 构 具 备成 熟 的开发生态环 境应 用 广泛 时 钟频率 72Mhz 必要情况 下 可 超频 拥 有 多 个 硬 件 IIC SPI 和 UART 通讯 端口 以及 八 个 内部 定时器 功耗低 1 1 2传感 器 选择 空气温湿 度 传感 器 SHT20 该传感 器 通 过 内部 MCU 将 获 取 到的 空气温湿 度 数 值进行 处 理 滤波然后 以 IIC 通讯 方式将 数 据 以 数字 量的 形 式 直接 上 传 到单 片 机 土壤温湿 度 传感 器以 串 口通讯 的方式 115200的 波特率与 单 片 机进行 通讯 将 土壤温湿 度 数据 上 传 单 片 机 光照强 度 OPT101 传感 器 具 备 集 成的 硬 件 运 算放 大 滤波电路 将 光照强 度 转变 为 0 3 3V 的模 拟 量 再通 过单 片 机 内部 12 位 ADC 进行 A D转换 可 得 出 实 时 光照强 度 数据 以上 三 个 传感 器 具 备 低功耗 使用 广泛 工作 稳 定的优点 1 1 3电 机 控 制器 选择 本系统需 要 水泵对土壤 进行 补水 风扇对 工 厂内部 进行 通 风 所 以 选择廉 价的 L298N 电 机 驱 动器 其控 制 精 度 满足本系统 要 求 且 输 出 功率 可达 36W 反应速 度 快 控 制 逻辑简 单 可长时 间持续运 转 1 1 4电 源的设 计 微型植物 工 厂采 用 太阳能电池板 可 充电锂电池和 12V 直 流电 源进行 供电 三部 分 电 源设 计其 优点在于 天气状 况 良 好的 情况 下 太阳能电池板 可 保证系统 正常运行的 同 时 给锂电池 进 行 充电 在 阴天 的时 候锂电池 进行工作 若 持续 阴雨天气 可 接 市电 进行工作 由 于一 天之 中 太阳光光强 的 变 化 太阳能电池板 输 出的 电压波 动 变 化 幅 度 较 大 采 用升 压再降压稳压电路 既保 证输 出 电压稳 定在 12V 输 出 电流满足系统 最大 功率 运行 在 夜 间 太阳能电池板不能 提 供电 源的时 候 此时使用单 片 机 内部 ADC 附 加 外部电路对电压 进行检 测 太阳能电池板 发 电电压低 于 9V 后切断太阳能电池板 的 供电 采 用 锂电池或 者 市电 进行 供 电 保证系统 持续运行 1 1 5 显示模 块选择 温室无害生长植物工厂智能监控系统 河北农业大学 李磊 梁润东 丁新飞 储相龙 谷伟乐 李朝亮 摘 要 本文通过对温室无害生长植物工厂智能监控系统的硬件挑选 软件程序设计 冒泡法滤波 电路板设计 实物调试等方面分享搭建该微型植物工厂的心得 以 STM32F1 单片机为控制核心 结合空气温湿度传感器 SHT20 土壤温湿度传感器 光强传感器 OPT101 组成的传感器系统进行各项环境变化量的采集处理 融合了模拟电路设计 单片机应用 信号通讯处理 电机控制等技术搭建出了具备成本低廉 可持续稳定运行的微型植物工厂 在外界非极 端天气环境下 可以持续稳定运行 为我国未来农作物生产工厂化少人化无人化提供了可行性方案 关键词 STM32 单片机 SHT20 电路板设计 电机控制技术 新 闻 视界 H EBEINONGJI 河北 农 机 25 2 020 年第 11 期 使用 7引脚封装的 OLED128 64屏幕 其采用 SPI 的通讯 方式 具有极快的刷新速度 低功耗运行时间长工作稳定 1 1 6电路设计 控制部分和传感器供电电源部分使用 7805三端稳压芯片 将 12V 直流降压为稳定的 5V 电压 5V 电压在负责给土壤温湿 度传感器进行供电的同时 再通过两片 AMS1117 3 3V 并联稳 压负责给单片机 SHT20 OPT101 以及 OLED屏幕进行供电 因 为 AMS1117 3 3V 额定输出电流为 500mA 不能满足后期对系 统进行升级改进增加功能的要求 所以采用并联的方式提供足 够供电能力 1 1 7电机选择 水泵电机选择常用直流 12V385 有刷电机 该电机内阻小 减速组损耗低工作运行稳定 风扇选择 9cm 9cm 12V 6W 散热 扇 价格便宜 该系列风扇常用作电脑散热扇因此运行稳定使用 时间长 2 设计思路及工作原理 基于太阳能供电的微型植物工厂智能监控系统采用了三电 源供电方式 保证系统稳定持续运行 以 SHT20 土壤温湿度传 感器 OPT101 对影响植物生长状况的各项环境参数进行检测 并通过 STM32对采集到的数据进行冒泡法滤波处理 将各项参 数与之前设定好的阈值进行比较 通过定时器输出 PWM 对通风 扇转速进行控制 应用 PID 算法对室内空气加热棒进行控制 和 实时光照补充 以及 I O口输出高低电平控制 8050NPN 行三极 管导通和截止再由三极管控制继电器 三极管对水泵进行开关 这里的不采用 I O直接控制继电器 防止使用过程中电机或者继 电器出现故障反向电压击穿单片机 3 理论分析与软件设计 3 1算法滤波 3 1 1冒泡法滤波 冒泡法是目前最常用的效率较高的数据初 步 处理方法 程 序 设计中采用冒泡法对空气温湿度数据 土壤温室度数据 光照 强 度数据 十个一 组进行冒泡法 排序 去掉十个 数据中的最 大 值 最小值 然 后再求 剩余八 组数据的平 均 值 优点 在于 本身 数据 通过传感器内部电路进行处理 就 比较稳定 再 上 传到单片机进 行冒泡法 排序 滤波 得 到的数据 更 加接 近 于此时环境的 真 实状 态 且 冒泡法 排序占 用单片机 资 源 少 算法 简 单效率高 不 会 影 响系统的反应速度 保证系统实时处理能力 且经 过滤波后增加 了系统的使用 寿命 消除 了数据出现的波 峰 和波 谷 3 1 2 PID算法 微 型 植物工厂 顾名思义 最 重 要的 就 是 像 工厂 一样 持续稳定 的运行 该系统采用基于单片机系统的 PID 算法 PID 分 别 为比 例 微分 积 分 比 例 保证了系统的反应速度 I D共 同 决 定了系 统的运行 精 度 该算法保证工厂内部各项环境 维 持在植物生长 最 佳范围 内 其中对风扇风速的控制采用 PD 算法其 优势 在于反 应速度快 且 与 SHT20传感器组 成闭 环控制 保证室内空气湿度 在 可 控 范围 内 加热棒采用 PI 算法进行控制 虽然 PI 算法的反 应速度较 PD 慢 但 是其控制 精 度高 能保证植物 始终 处于最 佳 生长温度 范围 内 光 强 控制方 面 直接采用比 例 算法与 OPT101 反 馈 的光 强 数据 形成闭 环控制 保证植物的光 合 作用处于最高效 的状 态 3 2软件设计 软件 部分的设计 包括 以 下几个 部分 OLED屏幕 底层驱动 程 序搭建 单片机定时器 配置 程 序搭建 软件 IIC 软件 SPI 和 硬件 串 口通讯 配置 程 序搭建 SHT20和土壤传感器 配置 程 序搭建 单 片机内部 12位 ADC 配置 程 序搭建 单片机 看门狗底层配置 设 计 看门狗 用于运行过程中监 视 程 序 状 态 系统出现 异 常 停 止 程 序 运行 对系统进行 重启 如果重启 后再 次 出现 错误 将 报警 通 知技术员解决 底层代码 采用 HAL 库 进行 编写 HAL 库 是 ST公司推 出的 目前在 STM32系列单片机 上广泛 应用的 固件库 对单片机内部 寄存 器 包括 定时器 I O口 串 口 A D转 换 初 始化 看门狗配置 初 始化可 直接采用 官 方 退 出的 CubeMX 进行 图形化配置 其 底层 代码逻辑性强 可读性 高 可移 植 性强 节省 了 大量 的 底层软件 设计时间 在 底层代码搭建完成 后 参照 网上 Github CSDN 等诸 多 电 子 设计开 发 开源 资料 对 上层逻辑 控制部分进行设计 编 程 调试 4 硬件结构设计 整个模型 分 成四 部分 第一 部分为 欧标 2020 铝型材搭建 50cm 30cm 40cm 框架 框架 之间以 亚克 力 板 作为 透明挡板 既 可 以直接 观察 植物的生长状况 第二 部分为 核心 控制部分 采用 自 行设计 PCB 板构建 PCB 上包括 单片机 空气温湿度传感器 SHT20 土壤温湿度传感器 稳压 模块 显示 屏幕 等 第 三部分为 电机及电机 驱动 部分 包括 IRF3205 大 功率 MOS 管 8050NPN 型 三极管 L298N电机 驱动 风扇 水泵 第四 部分为电源部分 其中 包括 太阳能电 池板 12V 可 充电 锂 电 池 市 电转 12V 稳压直 流电源 5 总结 经 过实 际 实 验 运行监测 本文 中基于太阳能供电的微 型 植 物工厂智能监控系统方 案可 行 且 工作运行稳定 以 ARM 架构 的 32位 单片机为控制 核心 的 结合 各 种 传感器 构成 了该系统 能 够在 模型 内部空气温度升高的时 候 及时 打 开通风扇进行通风 降温 在土壤 含 水 量 低于阈值时 打 开水泵 进行 滴灌 在 外界 温 度降低时 加热棒和通风扇 结合共 同 维 持系统的温度处于植物 生长 发育 的最 佳范围 并 随着外界 光 强 的 变化 模型 内的 LED灯 通过单片机对 占 空比的 调整达 到控制补光的效 果 使植物处于 最 佳 的光 合 作用状 态 该系统 硬件可靠耐 用 软件全面 能 自我调 整 整体适 应 性强 参考文献 1 方春华 单片机 C 语言编程的常见问题于分析 J 电脑知 识与技术 2019 15 30 237 238 2 葛昆 在电子技术中单片机的应用优势与开发实践 J 信 息通讯 2019 194 291 292 3 阎石 数字电子技术基础 第六版 M 北京 高等教育出 版社 2016 78 79 4 张毅刚 单片机原理及应用 M 北京 高等教育出版社 2004 202 233 新 闻 视界 H EBEINONGJI 河北 农 机 河北 农 26