溫室無害生長植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng).pdf

2 020 年第 11 期 辨 別機械的運行情況 涵蓋機械設(shè)備故障 機器維修等情況 長 時間從事機械管理的基層人員 可以只聽聲音的問題從而分別 出機械是否出現(xiàn)故障 要最大化顯示出基層農(nóng)機人員在農(nóng)業(yè)機 械管理上的效用 可以及時安排基層工作者展開機械管理專業(yè) 知識的培訓(xùn) 鼓舞基層人員主動參加 派出優(yōu)秀基層農(nóng)機人員展 開機械管理指導(dǎo)工作 高效提升機械設(shè)備的安全管理成效以及 提升運用時間 2 5 加強安全生產(chǎn)管理 安全生產(chǎn)生呈現(xiàn)在各個方面 標準化安全管理在農(nóng)業(yè)機械 管理中的運用 重點展現(xiàn)在策劃一致的安全準則以及規(guī)章制度 改進執(zhí)法管理的方式 創(chuàng)新安全管理舉措等方面 并且還必須規(guī) 范農(nóng)業(yè)機械崗位的入職條件 并且 因為農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)是大規(guī)模 生產(chǎn)的環(huán)節(jié) 因此各類安全檢查 監(jiān)督管理都必須要清晰 透明 化 并且督促群眾自行行使自身的監(jiān)督權(quán)限 有助于高效提升管 理人員以及工作人員的覺悟 2 6改進農(nóng)業(yè)機械管理體系 農(nóng)業(yè)機械管理是提升生產(chǎn)成效 提升農(nóng)民生活質(zhì)量的關(guān)鍵 舉措 伴隨著科學(xué)手段的持續(xù)發(fā)展以及完備 機械化管理在農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)中的運用逐步趨于常態(tài)化 要想更好的達成機械化管理的 優(yōu)越性以及社會價值 改進管理是必須進行的 首先 必須普及 農(nóng)業(yè)機械化管理的有關(guān)知識 涵蓋以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為單位成立的有關(guān) 管理團隊 以農(nóng)技站作為骨干牽頭示范 將完備的安全管理知識 深入到鄉(xiāng)鎮(zhèn) 村的安全管理制度中 經(jīng)過定點創(chuàng)建機械安全管理 機構(gòu) 組織專業(yè)工作者以及管理工作者進行指正 科學(xué)優(yōu)化資源 配 置 完備 硬 件基 礎(chǔ) 設(shè) 施 管理等舉措 全面完成農(nóng)機安全管理的 順利 進行 最 終 還必須 強 化機械安全管理 涵蓋定 期 檢修以及 保養(yǎng) 3 結(jié)語 隨著 我國 經(jīng) 濟 的持續(xù)發(fā)展 農(nóng)村現(xiàn) 代 化進 程 的逐步 推 進 農(nóng) 業(yè)機械化的 應(yīng) 用范 圍 越 來 越大 農(nóng)業(yè)機械化安全生產(chǎn) 也 面 臨 著 非 常 多 的問題 只有 由政府 牽頭 鎮(zhèn)農(nóng)機站 做 好安全管理 各村 委 會 協(xié)同 配 合 群眾 積極 參 與 各 部門和 單位明 確 職 責 強 化 責 任 才能確保 農(nóng)機安全生產(chǎn)工作 取得 成效 參考文獻 1 許占華 農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)轉(zhuǎn)向時應(yīng)注意的事項 J 農(nóng)機 使用與維修 2018 000 011 68 2 范寶紅 安全管理模式在農(nóng)業(yè)機械管理中的應(yīng)用研究 J 農(nóng)民致富之友 2018 000 013 152 1 制作方案 1 1比較與選擇 1 1 1單 片 機 型號選擇 微型植物 工 廠采 用 STM32F103RCT6 單 片 機 該 單 片 機為 ARM 架 構(gòu) 具 備成 熟 的開發(fā)生態(tài)環(huán) 境應(yīng) 用 廣泛 時 鐘頻率 72Mhz 必要情況 下 可 超頻 擁 有 多 個 硬 件 IIC SPI 和 UART 通訊 端口 以及 八 個 內(nèi)部 定時器 功耗低 1 1 2傳感 器 選擇 空氣溫濕 度 傳感 器 SHT20 該傳感 器 通 過 內(nèi)部 MCU 將 獲 取 到的 空氣溫濕 度 數(shù) 值進行 處 理 濾波然后 以 IIC 通訊 方式將 數(shù) 據(jù) 以 數(shù)字 量的 形 式 直接 上 傳 到單 片 機 土壤溫濕 度 傳感 器以 串 口通訊 的方式 115200的 波特率與 單 片 機進行 通訊 將 土壤溫濕 度 數(shù)據(jù) 上 傳 單 片 機 光照強 度 OPT101 傳感 器 具 備 集 成的 硬 件 運 算放 大 濾波電路 將 光照強 度 轉(zhuǎn)變 為 0 3 3V 的模 擬 量 再通 過單 片 機 內(nèi)部 12 位 ADC 進行 A D轉(zhuǎn)換 可 得 出 實 時 光照強 度 數(shù)據(jù) 以上 三 個 傳感 器 具 備 低功耗 使用 廣泛 工作 穩(wěn) 定的優(yōu)點 1 1 3電 機 控 制器 選擇 本系統(tǒng)需 要 水泵對土壤 進行 補水 風(fēng)扇對 工 廠內(nèi)部 進行 通 風(fēng) 所 以 選擇廉 價的 L298N 電 機 驅(qū) 動器 其控 制 精 度 滿足本系統(tǒng) 要 求 且 輸 出 功率 可達 36W 反應(yīng)速 度 快 控 制 邏輯簡 單 可長時 間持續(xù)運 轉(zhuǎn) 1 1 4電 源的設(shè) 計 微型植物 工 廠采 用 太陽能電池板 可 充電鋰電池和 12V 直 流電 源進行 供電 三部 分 電 源設(shè) 計其 優(yōu)點在于 天氣狀 況 良 好的 情況 下 太陽能電池板 可 保證系統(tǒng) 正常運行的 同 時 給鋰電池 進 行 充電 在 陰天 的時 候鋰電池 進行工作 若 持續(xù) 陰雨天氣 可 接 市電 進行工作 由 于一 天之 中 太陽光光強 的 變 化 太陽能電池板 輸 出的 電壓波 動 變 化 幅 度 較 大 采 用升 壓再降壓穩(wěn)壓電路 既保 證輸 出 電壓穩(wěn) 定在 12V 輸 出 電流滿足系統(tǒng) 最大 功率 運行 在 夜 間 太陽能電池板不能 提 供電 源的時 候 此時使用單 片 機 內(nèi)部 ADC 附 加 外部電路對電壓 進行檢 測 太陽能電池板 發(fā) 電電壓低 于 9V 后切斷太陽能電池板 的 供電 采 用 鋰電池或 者 市電 進行 供 電 保證系統(tǒng) 持續(xù)運行 1 1 5 顯示模 塊選擇 溫室無害生長植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng) 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 李磊 梁潤東 丁新飛 儲相龍 谷偉樂 李朝亮 摘 要 本文通過對溫室無害生長植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件挑選 軟件程序設(shè)計 冒泡法濾波 電路板設(shè)計 實物調(diào)試等方面分享搭建該微型植物工廠的心得 以 STM32F1 單片機為控制核心 結(jié)合空氣溫濕度傳感器 SHT20 土壤溫濕度傳感器 光強傳感器 OPT101 組成的傳感器系統(tǒng)進行各項環(huán)境變化量的采集處理 融合了模擬電路設(shè)計 單片機應(yīng)用 信號通訊處理 電機控制等技術(shù)搭建出了具備成本低廉 可持續(xù)穩(wěn)定運行的微型植物工廠 在外界非極 端天氣環(huán)境下 可以持續(xù)穩(wěn)定運行 為我國未來農(nóng)作物生產(chǎn)工廠化少人化無人化提供了可行性方案 關(guān)鍵詞 STM32 單片機 SHT20 電路板設(shè)計 電機控制技術(shù) 新 聞 視界 H EBEINONGJI 河北 農(nóng) 機 25 2 020 年第 11 期 使用 7引腳封裝的 OLED128 64屏幕 其采用 SPI 的通訊 方式 具有極快的刷新速度 低功耗運行時間長工作穩(wěn)定 1 1 6電路設(shè)計 控制部分和傳感器供電電源部分使用 7805三端穩(wěn)壓芯片 將 12V 直流降壓為穩(wěn)定的 5V 電壓 5V 電壓在負責給土壤溫濕 度傳感器進行供電的同時 再通過兩片 AMS1117 3 3V 并聯(lián)穩(wěn) 壓負責給單片機 SHT20 OPT101 以及 OLED屏幕進行供電 因 為 AMS1117 3 3V 額定輸出電流為 500mA 不能滿足后期對系 統(tǒng)進行升級改進增加功能的要求 所以采用并聯(lián)的方式提供足 夠供電能力 1 1 7電機選擇 水泵電機選擇常用直流 12V385 有刷電機 該電機內(nèi)阻小 減速組損耗低工作運行穩(wěn)定 風(fēng)扇選擇 9cm 9cm 12V 6W 散熱 扇 價格便宜 該系列風(fēng)扇常用作電腦散熱扇因此運行穩(wěn)定使用 時間長 2 設(shè)計思路及工作原理 基于太陽能供電的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)采用了三電 源供電方式 保證系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運行 以 SHT20 土壤溫濕度傳 感器 OPT101 對影響植物生長狀況的各項環(huán)境參數(shù)進行檢測 并通過 STM32對采集到的數(shù)據(jù)進行冒泡法濾波處理 將各項參 數(shù)與之前設(shè)定好的閾值進行比較 通過定時器輸出 PWM 對通風(fēng) 扇轉(zhuǎn)速進行控制 應(yīng)用 PID 算法對室內(nèi)空氣加熱棒進行控制 和 實時光照補充 以及 I O口輸出高低電平控制 8050NPN 行三極 管導(dǎo)通和截止再由三極管控制繼電器 三極管對水泵進行開關(guān) 這里的不采用 I O直接控制繼電器 防止使用過程中電機或者繼 電器出現(xiàn)故障反向電壓擊穿單片機 3 理論分析與軟件設(shè)計 3 1算法濾波 3 1 1冒泡法濾波 冒泡法是目前最常用的效率較高的數(shù)據(jù)初 步 處理方法 程 序 設(shè)計中采用冒泡法對空氣溫濕度數(shù)據(jù) 土壤溫室度數(shù)據(jù) 光照 強 度數(shù)據(jù) 十個一 組進行冒泡法 排序 去掉十個 數(shù)據(jù)中的最 大 值 最小值 然 后再求 剩余八 組數(shù)據(jù)的平 均 值 優(yōu)點 在于 本身 數(shù)據(jù) 通過傳感器內(nèi)部電路進行處理 就 比較穩(wěn)定 再 上 傳到單片機進 行冒泡法 排序 濾波 得 到的數(shù)據(jù) 更 加接 近 于此時環(huán)境的 真 實狀 態(tài) 且 冒泡法 排序占 用單片機 資 源 少 算法 簡 單效率高 不 會 影 響系統(tǒng)的反應(yīng)速度 保證系統(tǒng)實時處理能力 且經(jīng) 過濾波后增加 了系統(tǒng)的使用 壽命 消除 了數(shù)據(jù)出現(xiàn)的波 峰 和波 谷 3 1 2 PID算法 微 型 植物工廠 顧名思義 最 重 要的 就 是 像 工廠 一樣 持續(xù)穩(wěn)定 的運行 該系統(tǒng)采用基于單片機系統(tǒng)的 PID 算法 PID 分 別 為比 例 微分 積 分 比 例 保證了系統(tǒng)的反應(yīng)速度 I D共 同 決 定了系 統(tǒng)的運行 精 度 該算法保證工廠內(nèi)部各項環(huán)境 維 持在植物生長 最 佳范圍 內(nèi) 其中對風(fēng)扇風(fēng)速的控制采用 PD 算法其 優(yōu)勢 在于反 應(yīng)速度快 且 與 SHT20傳感器組 成閉 環(huán)控制 保證室內(nèi)空氣濕度 在 可 控 范圍 內(nèi) 加熱棒采用 PI 算法進行控制 雖然 PI 算法的反 應(yīng)速度較 PD 慢 但 是其控制 精 度高 能保證植物 始終 處于最 佳 生長溫度 范圍 內(nèi) 光 強 控制方 面 直接采用比 例 算法與 OPT101 反 饋 的光 強 數(shù)據(jù) 形成閉 環(huán)控制 保證植物的光 合 作用處于最高效 的狀 態(tài) 3 2軟件設(shè)計 軟件 部分的設(shè)計 包括 以 下幾個 部分 OLED屏幕 底層驅(qū)動 程 序搭建 單片機定時器 配置 程 序搭建 軟件 IIC 軟件 SPI 和 硬件 串 口通訊 配置 程 序搭建 SHT20和土壤傳感器 配置 程 序搭建 單 片機內(nèi)部 12位 ADC 配置 程 序搭建 單片機 看門狗底層配置 設(shè) 計 看門狗 用于運行過程中監(jiān) 視 程 序 狀 態(tài) 系統(tǒng)出現(xiàn) 異 常 停 止 程 序 運行 對系統(tǒng)進行 重啟 如果重啟 后再 次 出現(xiàn) 錯誤 將 報警 通 知技術(shù)員解決 底層代碼 采用 HAL 庫 進行 編寫 HAL 庫 是 ST公司推 出的 目前在 STM32系列單片機 上廣泛 應(yīng)用的 固件庫 對單片機內(nèi)部 寄存 器 包括 定時器 I O口 串 口 A D轉(zhuǎn) 換 初 始化 看門狗配置 初 始化可 直接采用 官 方 退 出的 CubeMX 進行 圖形化配置 其 底層 代碼邏輯性強 可讀性 高 可移 植 性強 節(jié)省 了 大量 的 底層軟件 設(shè)計時間 在 底層代碼搭建完成 后 參照 網(wǎng)上 Github CSDN 等諸 多 電 子 設(shè)計開 發(fā) 開源 資料 對 上層邏輯 控制部分進行設(shè)計 編 程 調(diào)試 4 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 整個模型 分 成四 部分 第一 部分為 歐標 2020 鋁型材搭建 50cm 30cm 40cm 框架 框架 之間以 亞克 力 板 作為 透明擋板 既 可 以直接 觀察 植物的生長狀況 第二 部分為 核心 控制部分 采用 自 行設(shè)計 PCB 板構(gòu)建 PCB 上包括 單片機 空氣溫濕度傳感器 SHT20 土壤溫濕度傳感器 穩(wěn)壓 模塊 顯示 屏幕 等 第 三部分為 電機及電機 驅(qū)動 部分 包括 IRF3205 大 功率 MOS 管 8050NPN 型 三極管 L298N電機 驅(qū)動 風(fēng)扇 水泵 第四 部分為電源部分 其中 包括 太陽能電 池板 12V 可 充電 鋰 電 池 市 電轉(zhuǎn) 12V 穩(wěn)壓直 流電源 5 總結(jié) 經(jīng) 過實 際 實 驗 運行監(jiān)測 本文 中基于太陽能供電的微 型 植 物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)方 案可 行 且 工作運行穩(wěn)定 以 ARM 架構(gòu) 的 32位 單片機為控制 核心 的 結(jié)合 各 種 傳感器 構(gòu)成 了該系統(tǒng) 能 夠在 模型 內(nèi)部空氣溫度升高的時 候 及時 打 開通風(fēng)扇進行通風(fēng) 降溫 在土壤 含 水 量 低于閾值時 打 開水泵 進行 滴灌 在 外界 溫 度降低時 加熱棒和通風(fēng)扇 結(jié)合共 同 維 持系統(tǒng)的溫度處于植物 生長 發(fā)育 的最 佳范圍 并 隨著外界 光 強 的 變化 模型 內(nèi)的 LED燈 通過單片機對 占 空比的 調(diào)整達 到控制補光的效 果 使植物處于 最 佳 的光 合 作用狀 態(tài) 該系統(tǒng) 硬件可靠耐 用 軟件全面 能 自我調(diào) 整 整體適 應(yīng) 性強 參考文獻 1 方春華 單片機 C 語言編程的常見問題于分析 J 電腦知 識與技術(shù) 2019 15 30 237 238 2 葛昆 在電子技術(shù)中單片機的應(yīng)用優(yōu)勢與開發(fā)實踐 J 信 息通訊 2019 194 291 292 3 閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 第六版 M 北京 高等教育出 版社 2016 78 79 4 張毅剛 單片機原理及應(yīng)用 M 北京 高等教育出版社 2004 202 233 新 聞 視界 H EBEINONGJI 河北 農(nóng) 機 河北 農(nóng) 26