153湖北農(nóng)機(jī)化 2019 年第 23 期開發(fā)研究嵌入式溫室升降補(bǔ)光控制器研制王 琢 高星星 * 王 銳 盧澤民 張俊峰 舒虹杰 羅友誼 肖 進(jìn)(武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 武漢 430345)：光是作物生長過程中重要的環(huán)境因子，光照不足會導(dǎo)致作物品質(zhì)和產(chǎn)量的下降。溫室是主要的農(nóng)業(yè)設(shè)施之一，在傳統(tǒng)溫室條件下，光照受天氣等自然條件影響，而太陽光和人工光并用型溫室可以在光照不足時，通過人工光源保證作物的光合有效輻射，從而保證作物品質(zhì)和產(chǎn)量。據(jù)此，基于嵌入式技術(shù)，提出了一種溫室升降補(bǔ)光控制器的實施方案，設(shè)計了系統(tǒng)硬件關(guān)鍵電路及軟件主程序控制流程?？刂破鲗崿F(xiàn)了補(bǔ)光設(shè)備的升降控制、手動補(bǔ)光控制、定時補(bǔ)光控制和自動補(bǔ)光控制，并經(jīng)過實地應(yīng)用取得了較好的效果，為設(shè)施農(nóng)業(yè)光環(huán)境調(diào)控技術(shù)提供了實踐支撐。：補(bǔ)光；升降；溫室；控制器；嵌入式技術(shù)0 引言光合作用是植物利用太陽的光能，同化二氧化碳和水制造有機(jī)物質(zhì)并釋放氧氣的過程。光合作用是植物體內(nèi)最重要的生命活動過程，是植物合成其結(jié)構(gòu)物質(zhì)和維持其生命活動的能量物質(zhì)的根本來源 1。影響植物光合作用的外界因素主要包括光照、二氧化碳、溫度、濕度、水肥等。近年來，在設(shè)施園藝領(lǐng)域，許多二氧化碳、溫度、濕度、水肥的調(diào)控技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了實際生產(chǎn)中，而對于光環(huán)境的調(diào)控技術(shù)還未得到大規(guī)模應(yīng)用。太陽光利用型溫室是我國設(shè)施園藝的主要形式，主要包括塑料大棚、日光溫室、連棟溫室，我國超過 95%的溫室采用塑料作為覆蓋材料，塑料材料的透光率在 50%70%2，當(dāng)塑料外部存在灰層和內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露時，其透光率會更低。另外，太陽光受自然氣候的影響，在時間和空間的分布上具有不規(guī)則性，太陽光利用型溫室的光照條件達(dá)不到果菜類和花菜類作物的最佳光需求，而太陽光和人工光并用型溫室能夠改善作物品質(zhì)，提升產(chǎn)量 3-5。溫室內(nèi)不同作物處于不同的生長階段，冠層形態(tài)不同，為了達(dá)到最佳的光能利用率，人工光源的安裝高度也不盡相同。本文針對升降補(bǔ)光設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種基于嵌入式技術(shù)的溫室升降補(bǔ)光控制器。1 系統(tǒng)總體設(shè)計升降補(bǔ)光燈組由普通的補(bǔ)光燈組、繞線機(jī)構(gòu)、管狀電機(jī)以及電纜組成，如圖 1 所示，管狀電機(jī)帶動繞線盤旋轉(zhuǎn)，繞線盤在旋轉(zhuǎn)的過程中對電纜進(jìn)行收放，從而使補(bǔ)光燈組整體上升和下降。溫室升降補(bǔ)光控制系統(tǒng)由升降補(bǔ)光燈組和控制器組成，每臺控制器可以控制 4 套升降補(bǔ)光燈組， 4 個通道之間單獨控制，互不干擾，如圖 2 所示。溫室升降補(bǔ)光控制器有升降控制、補(bǔ)光控制 2 種功能，其中補(bǔ)光實現(xiàn)了手動控制、定時控制、自動控制 3 種模式，升降只能手動控制。其中，手動控制是指操作觸摸屏上的按鈕對補(bǔ)光燈組進(jìn)行開關(guān)和升降；定時控制是指用戶設(shè)定好補(bǔ)光燈組開啟的時間段，系統(tǒng)自動開啟補(bǔ)光；自動控制是指用戶設(shè)定好光照強(qiáng)度的上下限，當(dāng)實時采集到的光照強(qiáng)度低于設(shè)定的下限值時，系統(tǒng)自動開啟補(bǔ)光，當(dāng)光照強(qiáng)度高于上限值時，系統(tǒng)自動關(guān)閉補(bǔ)光。圖 1 升降補(bǔ)光燈組圖 2 溫室升降補(bǔ)光控制系統(tǒng)2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)、人機(jī)交互單元、光照強(qiáng)度采集單元、升降控制單元、補(bǔ)光控制單元以及預(yù)留的通訊接口組成，如圖 3 所示。其中，單片機(jī)采用 STM32F103C8T6 微控制器，是系統(tǒng)的控制中心，主要負(fù)責(zé)控制邏輯運算。人機(jī)交互單元采用 4.3 寸觸摸顯示屏，通過串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。光照強(qiáng)度采集提供了 4 路 420mA 電流信號輸入接口。升降控制和補(bǔ)光控制均為 220VAC 的繼電器輸出。圖 3 硬件總體結(jié)構(gòu)作者簡介： 王琢（ 1988-），男，湖北武漢人，碩士，工程師，研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)控制技術(shù)。通訊作者：高星星（ 1985-），男，湖北孝感人，碩士，工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化，農(nóng)業(yè)智能裝備。湖北農(nóng)機(jī)化 2019 年第 23 期1542.2 補(bǔ)光控制電路補(bǔ)光控制電路采用 SRD-05VDC-SL-C 型繼電器實現(xiàn)補(bǔ)光燈組的通斷電，觸點容量為 10A/250VAC，線圈控制電壓為 5VDC。如圖 4 所示， Live 和 Neutral 分別為輸入交流電火線和零線，L_Ligh t_1 為第一通道的補(bǔ)光燈組輸出。9013 型三極管組成繼電器驅(qū)動電路， Light_On_Off_1 接到STM32F103C8T6 的 GPIO，當(dāng)其為高電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈通電， L_Light_1 與 Live 接通，補(bǔ)光開啟；當(dāng)其為低電平時，三極管截止，繼電器線圈斷電， L_Light_1 與Live 斷開，補(bǔ)光關(guān)閉。每個補(bǔ)光通道的最大負(fù)載功率為1000W。圖 4 補(bǔ)光控制電路2.3 升降控制電路升降控制電路的控制對象為管狀電機(jī)，其功率為145W。升降控制電路也采用 SRD-05VDC-SL-C 型繼電器實現(xiàn)管狀電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。如圖 5 所示，當(dāng) Elevator_On_Off_1和 Elevator_Up_Down_1 分別為高電平和低電平時，補(bǔ)光燈組下降；當(dāng) Elevator_On_Off_1 和 Elevator_Up_Down_1 全為高電平時，補(bǔ)光燈組上升；當(dāng) Elevator_On_Off_1 為低電平時，無論 Elevator_Up_Down_1 電平高低，補(bǔ)光燈組停止升降。圖 5 升降控制電路2.4 光照信號采集電路圖 6 光照信號采集電路光照強(qiáng)度傳感器輸出信號為 420mA 電流，如圖 6 所示，R36 將該信號轉(zhuǎn)換為 0.63V 電壓信號，運算放大器LM2902 構(gòu)成電壓跟隨器，提高輸入阻抗。R34 和 C20 構(gòu)成一階低通濾波器，截止頻率為 159kHz， ADC_7 接入STM32F103C8T6 的 ADC。磁珠 FB1 和電容 C18 對電源的高頻噪聲進(jìn)行濾除。2.5 電源電路電源電路將輸入的 220VAC 轉(zhuǎn)換為 +12VDC、 +5VDC、+3.3VDC。電路如圖 7 所示， FUSE1 為 3.15A/300V 延時型保險，對電路進(jìn)行過流保護(hù)。 MOV1 為壓敏電阻，當(dāng)輸入過壓時對電壓進(jìn)行鉗位，吸收多余的電流以保護(hù)后端器件。安規(guī) X 電容 CX1 和差模電感 L1 的作用是抑制差模干擾，安規(guī) Y 電容 CY1、 CY2 和共模電感 L2 的作用是抑制共模干擾。圖 7 電源電路3 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 固件程序設(shè)計如圖 8 所示，系統(tǒng)上電后，首先對 STM32F103C8T6圖 8 主程序流程外設(shè)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化，然后在主循環(huán)中檢測 HMI 數(shù)據(jù)上傳，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，表示用戶正在操作觸摸屏，程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容將相應(yīng)的標(biāo)志置位，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。在主循環(huán)中，每間隔 1s，讀取一次光照傳感器數(shù)據(jù)。此后，主循環(huán)依次執(zhí)行升降控制子程序、手動補(bǔ)光子程序、定時補(bǔ)光子程序、自動補(bǔ)光子程序。升降控制子程序的控制思想是：當(dāng)用戶按下上升或下降時， GPIO 輸出相應(yīng)的電平，使繼電器通電，補(bǔ)光燈組上升或下降。同時，啟動定時器，定時時間為 1min，在定時器中斷后將繼電器斷電。在上升或下降的過程中，按下停止后，繼電器立即斷電，并將定時器復(fù)位。定時補(bǔ)光子程序的控制思想是：每個通道用戶每天可以設(shè)定 15 個定時任務(wù)，每個定時任務(wù)可以單獨開啟或關(guān)閉，程序檢測到實時時鐘在任何一個任務(wù)開啟的定時時間段內(nèi)，就置位狀態(tài)標(biāo)志，當(dāng) 5 個標(biāo)志中任何一個為“ 1”，則自動將補(bǔ)光燈組開啟，當(dāng) 5 個標(biāo)志全開發(fā)研究155湖北農(nóng)機(jī)化 2019 年第 23 期開發(fā)研究高頻振動液化荸薺收獲機(jī)設(shè)計李 旭 廖 劍 * 王 銳 盧澤民 舒虹杰 羅 欣（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 武漢 430345）：針對荸薺收獲缺少適用機(jī)械，嚴(yán)重影響荸薺產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的現(xiàn)象，設(shè)計了一種無人駕駛分層式荸薺收獲機(jī)。該機(jī)根據(jù)荸薺種植農(nóng)藝和田間生長分布特性，采用高頻振動液化原理，通過高轉(zhuǎn)速液壓馬達(dá)驅(qū)動激振器產(chǎn)生高頻振動實現(xiàn)荸薺和泥土的分離。在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了實物樣機(jī)的制作，并進(jìn)行可行性試驗。試驗結(jié)果表明，該荸薺收獲機(jī)適用于田間長期積水的爛泥田進(jìn)行荸薺機(jī)械化收獲。：高頻振動；液化；荸薺；收獲0 引言荸薺又名馬蹄，是原產(chǎn)中國和印度的一種水生蔬菜，以其地下莖作為食用器官，在我國已有 2000余年的栽培歷史，除高寒地區(qū)外，全國各個省區(qū)幾乎都有種植，我國長江流域及其以南各省以經(jīng)濟(jì)栽培為主。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至 2015年，荸薺全國栽培面積達(dá) 5 萬 hm2，其中廣西 2 萬 hm2，湖北0.33 萬 hm2 1。傳統(tǒng)上，荸薺采收完全依靠人工，且是在冬天進(jìn)行采收，勞動條件惡劣，勞動強(qiáng)度大，費時費工。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)和農(nóng)村勞動力結(jié)構(gòu)老齡化加劇，荸薺采收困難與荸薺產(chǎn)業(yè)發(fā)展之間的矛盾日益突出。因此，荸薺從業(yè)者迫切期盼有更加省力和高效、能減輕荸薺采收勞動強(qiáng)度的機(jī)具來代替人工作業(yè) 2。近 10 年來，在有關(guān)教學(xué)、科研單位及企業(yè)的共同努力下，我國在荸薺采收機(jī)械研制與開發(fā)方面取得了一些進(jìn)展，但目前未見成熟產(chǎn)品進(jìn)行大面積試驗推廣或銷售 3-9。1 荸薺田間生長分布特性荸薺有分株分蘗特性，定植后的薺苗，肉質(zhì)莖基部頂芽向上抽生葉狀莖，其側(cè)芽向四周抽生若干根匍匐莖，在開花前的高溫長日照條件下，匍匐莖橫行土中生長，先端的肉質(zhì)部為“ 0”，則將補(bǔ)光燈組關(guān)閉。自動補(bǔ)光子程序的控制思想是：每個通道用戶都可以設(shè)置光照強(qiáng)度的上限值和下限值，當(dāng)實時采集到的光照強(qiáng)度小于下限值時，補(bǔ)光燈組自動開啟；當(dāng)光照強(qiáng)度大于上限值時，補(bǔ)光燈組自動關(guān)閉；當(dāng)光照強(qiáng)度在上下限值之間時，補(bǔ)光燈組保持不變。3.2 UI 設(shè)計圖 9 主界面圖 10 參數(shù)設(shè)置界面主界面如圖 9 所示，用戶可以按下主界面下方的“通道選擇”后，手動進(jìn)行升降操作和補(bǔ)光操作，也可以將補(bǔ)光模式設(shè)置為定時模式或自動模式。定時模式和自動模式的參數(shù)設(shè)置界面如圖 10 所示，每個通道每天可以設(shè)置 5 項定時任務(wù)，通過右上角的“ +”“ -”進(jìn)行增加或刪除定時任務(wù)。4 結(jié)束語本文設(shè)計了一種溫室升降補(bǔ)光控制器，通過硬件電路設(shè)計和軟件程序編寫，實現(xiàn)了升降控制、手動補(bǔ)光控制、定時補(bǔ)光控制、自動補(bǔ)光控制?？刂破鞣謩e在武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院的塑料大棚、連棟溫室，以及北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站的日光溫室進(jìn)行了試驗和應(yīng)用，證實本控制器性能穩(wěn)定、實用性強(qiáng)，有效地提升了光能利用率，能夠為設(shè)施農(nóng)業(yè)光環(huán)境調(diào)控技術(shù)提供實踐上的支撐。參考文獻(xiàn)：1李濤 ,楊其長 .設(shè)施園藝生產(chǎn)人工補(bǔ)光理論初探 J.溫室園藝 ,2018(6):48-52.2王偉偉 ,馬俊貴 .設(shè)施溫室補(bǔ)光燈的應(yīng)用 J.農(nóng)業(yè)工程， 2014,4(6):47-50.3朱舟 ,童向亞 ,鄭書河 .基于作物光照需求的溫室光調(diào)控系統(tǒng)J.農(nóng)機(jī)化研究， 2016（ 2） :192-196.4李明 ,劉娟 ,凌廣明 .溫室大棚 LED 智能補(bǔ)光自適應(yīng)控制系統(tǒng) J.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2018,46(11):193-196.5楊學(xué)坤 ,蔣曉 ,胡瑤玫 .日光溫室補(bǔ)光技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析與對策研究 J.農(nóng)產(chǎn)品加工， 2017（ 14） :71-74.(收稿日期： 2019-9-16)基金項目：武漢市農(nóng)科院創(chuàng)新項目小白菜聯(lián)合精量播種機(jī)與荸薺挖掘裝置的研發(fā) (CX201906)。作者簡介： 李旭（ 1985-），女，湖北咸寧人，碩士，工程師，研究方向：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計。通訊作者：廖劍（ 1985-），男，湖北荊門人，碩士，工程師，研究方向：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計。