阳台植株养护机控制系统的设计与实现

吴国娟+张润久+高默雷+刘秀+刘佳文

摘 要：叙述了阳台植株养护机的设计和实现过程。对阳台农业的适应性进行了探讨，设计了针对阳台农业适用的养护设备。养护设备在完成基本的数据采集和控制后，还兼顾了远程控制和娱乐性需求。

关键词：阳台农业；植株；养护；数据采集；远程控制；GPRS

中图分类号：S688 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.01.026

Design and Implementation of Plant Conservation Balcony Control System

WU Guo-juan1， ZHANG Run-jiu1， GAO Mo-lei1， LIU Xiu1， LIU Jia-wen2

（1.Tianjin Aimin Network Technology Company Limited， Tianjin 300090，China；2.Department of Horticulture，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China）

Abstract： This paper described the design and implementation process balcony plant conservation machines. Adaptability balcony agriculture were discussed， designed for the balcony applicable conservation agriculture equipment. After completing basic maintenance equipment data acquisition and control， but also take into account the remote control and entertainment needs.

Key words： balcony agriculture；plants；conservation；data collection；remote control；GPRS

收稿日期：2013-11-25；修订日期：2013-11-29

作者简介：吴国娟（1977—），女，内蒙古巴彦淖尔盟人，本科，主要从事物联网自动化控制应用方面的研究。

阳台农业满足了个人化的种植需求，市场前景广阔，为此，我们设计了专门植株养护设备。该设备放置在阳台上，能够满足多种植株的生长环境需求，并根据养护机所在环境中的温度、湿度、光照数据控制相应的设备保持植株在适宜的环境中生长。远程控制解决了不同植株对环境的要求的差别，并允许用户进行远程控制，满足用户的娱乐性需求。养护机需要长期连续运行，并且需要接触水源、电源，还有可能处于长时间无人值守的状态，因此也必须具备一定的防护能力。

1 总体设计

养护机从设计之初就坚持实用、可靠、节能的设计理念。养护机需要能够采集包括温度、湿度、光照在内的生长环境信息，并根据这些信息控制相应的补水、补液、排风设备，改变生长环境，使植株能够在适宜的条件下生长。养护机栽培的植物种类繁多，需要根据具体情况分别处理，并且用户能够进行远程控制，为此，需要设计远程数据传输系统。在此基础上，还要设计相关的网页和手机客户端供用户远程控制。对于大功率的控制设备，不要求连续运行时间过长，尽量采用低功耗、具备休眠功能的器件，不工作时降低系统整体耗电量。与工业控制系统相比，养护机在保证性能的同时，更多的要考虑到成本，在性能、可靠性和成本之间找到平衡点，这是本设计主要考虑的问题。

2 结构设计

养护机控制系统按照功能分为采集、控制、传输、电源四个模块。采集模块包括对温度、湿度、光照的采集；控制模块包括对水箱、排风、雾化、生长灯的控制；传输模块使用GPRS与服务器进行通讯；电源模块给各模块供电。单片机采用5 V电源，具备一定的抗干扰能力。

电源系统在各模块不工作的前提下，消耗功率不大于3 W。即使如此，考虑到控制模块的短时间耗电量比较大，依旧没有采用电池供电的方法。首先，现有常规的碱性电池和锂电池都不具备长时间无人值守的情况下连续工作的能力，免维护的铅酸电池重量较大也不便使用。另外，也会增加用户的使用成本和维护量，这些都会给用户带来不便。最后，电池剩余电量检测比较困难，并且结果也不够准确，实际使用中因无法进行远程连接误认为是断电也是比较合理的解释。为此，在本设计中，采用交流220 V供电，首先可以长期连续供电，其次也不用考虑电压的变化，唯一需要的是进行过流保护。本设计中采用了自恢复保险解决了电源安全性的问题。使用多绕组的R型变压器可以输出多种电压，提高了对负载的适应能力。

控制电路与水源和土壤接近，在设计中充分考虑了防潮、防水、防腐蚀和漏电的问题。

3 数据采集

空气的温度、湿度采集已经相当成熟。初期采用DS18B20和HS1101构成了温湿度采集系统，目前采用DHT11温湿度传感器也得到很好的效果。

土壤湿度检测比较困难。尽管经过了多次实验，性价比合适的器件仍然没有找到。目前的土壤湿度传感器准确性、稳定性、可靠性都无法保证，通过补水时间大致估计土壤湿度的方法仍然比较现实。

水箱液位采集最终采用了超声波测距的方法。开始采用水导电特性的液面位置检测由于检测电极非常容易被腐蚀而放弃，其后采用的光电传感器的方法也被证明不够实用。超声测距的方法需要进行一定的温度补偿，并且测量的距离太近也会导致误差的增加。

4 控制机构

目前，全部设备的控制信号都由单片机IO管脚输出。全部的控制电路都使用光耦器件实现了光电隔离。直流驱动采用IRF530VMOS器件，可以满足50 W以下设备（如生长灯、直流水泵）的控制需求。继电器控制220 V交流供电设备（如雾化、交流水泵）。实践表明，采用继电器控制比可控硅控制在小功率场合下具备更高的可靠性。控制信号目前没有闭环反馈信号，因此程序设计中包括了时间上限的控制，即使GPRS接收到的指令超出上限也仍然按照上限时间关闭设备。

光照的功率消耗最小，一般不超过10 W，工作时间最长，一般也不超过4 h。补水、补液目前采用25 W直流或15 W交流供电，最长工作时间不超过5 min。雾化、排风控制按用户或服务器指令控制，一般不超过20 min。

5 远程通讯

无线数据传输系统初期采用Sim300 GPRS模块，目前采用Sim900A GPRS模块，二者都存在管脚数量多、不易焊接的问题。Sim900A模块运行相对稳定，具有低功耗模式，模块中已经内置TCP协议栈，方便与服务器进行TCP通讯。Sim900A模块还使用串口方式与单片机进行通讯。Sim900A模块为4.2 V供电，并且需要专门的外围稳压电路才能满足瞬时大电流稳定工作的需要。

根据客户机/服务器体系的要求，养护机被作为客户机使用，定时与服务器连接，并上传数据采集的状态，接收并完成服务器发出的指令。在数据收发的过程中，客户端具有主动性，即在客户端没有与服务器连接的情况下，服务器无法找到客户端，为此，采用了服务器端也安装Sim900A模块，在需要时对客户端拨号呼叫的方法。在本设计中，不要求客户端全天候实时传输，而是采用了客户端间歇与服务器进行TCP连接的方法，首先降低了服务器端的系统负载，同时也节省了数据流量。

流量控制。最终GPRS流量限制在1 MB/d，采集的数据20 s更新一次，控制指令随时下达，既满足了用户的实时性需求，也尽可能降低了流量成本的支出。

6 结束语

通过近两年的实际使用，系统已经日趋成熟，可以长期稳定工作，客户反映良好。两年的实际运行也感觉到阳台农业仍然需要以定制为主，因此，控制系统需要有更大的灵活性和伸缩性，尽量减少不必要的成本增加。控制电路经过多次修改，逐步形成了各子系统的模块化。单片机、GPRS模块与控制电路分开，电路板尺寸相对固定。形成了4路和8路控制的体系，并可以串行连接，通过这些组合，能够尽快满足最终的控制需求。

纵观阳台农业的发展，控制系统可做的事情仍然很多。在小环境的温度、湿度、光照可控的情况下，根据用户定制的需求，尽快组合出满足条件的系统和环境，通过进一步对系统进行优化和完善，满足用户更多的娱乐性、适用性需求。

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