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1、微型植物工厂营养液循环控制系统设计摘 要：本文针对微型植物工厂设计了一种营养液循环系统，用以智能化调控植物生长环境。该系统采用高性能的STM32F407VET6单片机作为微控制器，RW1820B温度传感器实现精确采集营养液温度，高性能缓冲放大器ADA4505和STM32单片机片内高精度模数转换器（ADC）实现营养液pH值的采集，利用非接触式超声波方式采集营养液液位，基于微控制器高效运算与逻辑分析结果，通过加热器、制冷器、蠕动泵及水泵调控植物的生长环境。该系统可以高精度地感知系统的环境状况并对系统做出相应调控，实现微型植物工厂营养液循环系统的精确调节。关键词：智能调节；微型植物工厂；营养液；循环
2、控制系统中图分类号：TP273；S31文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.05.070植物工厂是一种在一定空间内，通过多种传感器感知环境状况从而对环境做出相应调控实现农作物高效连续生长的智能系统【1】。大多数植物工厂采用绝热材料作为系统外壁，极大地限制了植物工厂同外部进行能量和物质交换，将环境变化对系统的影响降至最低【2】。植物生长所必需的空气、水、热量等由人工提供。光照主要由太阳光提供，在太阳光较弱或黑暗时由人工光源辅助照明。目前植物工厂有两个发展方向，一是向着工业化、大型化发展，二是向着家庭化、小型化发展【3】。大型植物工厂相比于微型植物工厂系
3、统的复杂度增加，植物生长的环境调控也变得困难。微型植物工厂的系统较简单，集成度更高，非常适合家庭培养及科学研究。植物生长的环境由系统感知并自动调控植物生长所需合适的光照、温度，并为植物提供适当的营养成分【4】。其中，植物营养液代替土壤向植物体提供水、肥、气、热量等生长因子，因此营养液的调控在整个系统中占有十分重要的地位。在当前已有的文献中，大多数文献研究的是植物工厂的系统设计，而针对植物营养液调控方面的研究则相对较少。本文将系统局部化，着重考虑营养液循环系统，希望能为植物工厂的进一步普及与发展做出一些有益的尝试。1 营养液循环系统方案设计1.1 设计原理微型植物工厂营养液循环系统可分为微控制器
4、系统、环境感知系统、营养液调控系统和电源系统，系统结构见图1。环境感知系统包括温度传感器、液位传感器、流速计和pH值传感器，系统通过传感器感知环境情况并通过微控制器做出决策并发送相关指令给调控系统，使其对系统环境做出相应调整，使植物工厂环境始终保持适宜植物生长的状态。营养液调控系统包括加热器、制冷器、蠕动泵及水泵，当环境温度较低时，加热器启动增加系统热量；当环境温度较高不利于植物生长时，制冷器启动降低系统热量；蠕动泵用来精确滴加酸液或碱液以调节营养液pH值；水泵用来调控营养液的液位及流速。因各种传感器、执行器的工作电压各不相同，故需要一个电源系统对整个系统的电源进行统一管理调控【5】。微控制器
5、作为整个营养液循环系统的大脑，负责管理调控整个系统，因此必须保证其能稳定可靠地感知环境状况并做出合理决策。经过综合考虑选择了基于ARM公司cortex-M4内核的STM32F4系列单片机。该系列单片机具有低功耗、高处理速度等特点，与cortex-M3内核的F3系列单片机相比，集成了单周期数字运算系统（DSP）指令和浮点运算单元（FPU），极大地提升了单片机的计算能力，非常符合系统的功能需要。1.2 方案确定微型植物工厂的植物从营养液吸取植物生长所必需的养分，植物的根系均浸泡于营养液中，营养液的温度、液位、流速和pH值均影响着植物的生长发育。该系统放置3个温度传感器，分别置于入水管、出水管、营养
6、缸中心；培养缸两侧各放置1个液位传感器；入水管、出水管附近各放置1个流速计；培养缸中心放置1个pH值传感器【6】（见图2）。STM32单片机通过传感器感知营养液的温度、液位和流速及pH值，并对植物工厂的环境信息进行分析与处理，然后通过控制加热器和制冷器的开闭来调节营养液的温度，通过输出一定占空比的PWM波给直流电机驱动以控制出、入水管处的水泵的转速来控制营养液的液位及流速，实现营养液的循环流动。同时STM32单片机向步进电机发送一定频率的脉冲控制蠕动泵的运动，向营养液滴加微量的酸碱液调控系统pH值。2 系统硬件电路设计2.1 传感器系统2.1.1 水温测量电路本系统选用RW1820B温度传感器
7、， 该传感器由美国RAYWAY研发生产，功能上远超DS18B20防水封装数字温度传感器，且精度高，功耗低，测温速度快。当采用12位的分辨率测量温度时，DS18B20需用时750 ms，RW1820B只需80 ms，大大提升了系统的测温效率。且RW1820B外围电路十分简单，数据口外接一个10 kΩ电阻后可直接与单片机数据口相连，温度测量电路见图3。2.1.2 液位超声波测量电路本系统采用非接触式超声波液位测量装置测量液面高度，具有体积小、精度高、安装便捷、成本低廉等特点，且不受营养液酸碱度的影响。 STM32单片机控制超声波测量电路发射一脉冲信号，同时STM32内部计数器开始计数，
8、直到超声波测量电路接收到反射脉冲引起单片机外部中断，同时单片机内部计数器停止计数【7】。计数器的计数时间即是超声波在空气中的往返时间。利用STM32内部计数器的计数值与频率的关系即可计算出超声波高度离液面的距离，进而利用超声波高度值即可得到液面高度，测量电路见第72页图4。液面高度的计算公式为式中：H为液面高度；H0为超声波高度；t为超声波脉冲在空气中的往返时间；v为当前温度下超声波在空气中的传播速度。目前流速的测量没有很好的电路方案，本系统选择成品小型流速计测量营养液流速，通过RS232与STM32单片机进行通信。流速计接收单片机发来的指令进行流速测量，并通过串口将流速采集值传送给单片机。2
9、.1.3 pH值测量电路采用电位分析法测量营养液pH值。该方法所用电极被称为原电池，原电池由2个半电池组成。其中一个半电池称作测量电极，其电位与特定离子的活度有关，另一个半电极为参考电极。原电池电压称作电动势E，由能特斯方程可知，pH值与电动势E之间的关系为从式（2）（3）可看出，pH值计算的斜率与温度成线性关系，必须对方程中的斜率进行斜率补偿。pH值测量电极上产生的电动势较小，最大只有几百毫伏。对于pH值测量装置，应该设计信号放大电路对电动势进行放大处理，同时也需要考虑温度漂移对pH值的影响。本系统采用ADI公司的低偏置电流、低失调漂移放大器ADA4505设计pH值测量电路（见图5），具有结
10、构简单、稳定性好、分辨率高、功耗低等特点，能够在1060 保持较高的测量精度。利用STM32单片机上外设12位高精度模数转换器（ADC）测量经微功耗放大器ADA4505放大后的电动势信号，同时结合RW1820B测量的温度信号进行温度补偿，根据能特斯方程计算得到高精度pH值。2.2 电源管理系统本系统采用220 V交流电源转化为12 V直流电源的微机电源作为系统总电源。12V直流电源可直接作为蠕动泵的步进电机及水泵直流电机的主电路电源，使用降压电路产生5 V，3.3 V的直流稳压电源向各传感器及主控芯片供电【5】。选用TI公司的直流/直流电源转换芯片TPS5430可将12 V直流电源转换为5 V
11、直流电源，TPS5430具有宽电压输入、高电流输出、转换效率高、过流保护及热关断等特点，其最大输出电流为3 A，较好地满足了系统的需要。STM32单片机不能使用5 V直流电源直接供电，可单独使用一个LM1117线性稳压电源芯片实现5 V到3.3 V的转化，得到3.3 V稳压电源再向单片机供电。12 V转5 V，5 V转3.3 V的稳压电路见图6。2.3 驱动电路设计2.3.1 蠕动泵步进电机驱动营养液的pH值对植物的生长发育有着显著影响，微型植物工厂的培养液容量一般在100 L以内，故在培养缸中滴加少量的酸液或碱液对营养液的pH值影响也较大。本系统选用重庆杰恒蠕动泵公司MN1迷你型蠕动泵，该蠕
12、动泵可用步进电机控制，转速为0.1200 r/min，流量为096 mL/min。步进电机驱动选择高耐压、大电流复合晶体管IC-ULN2003，该驱动芯片具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。该驱动方案可以很好地调控蠕动泵的流量，缓慢改变营养液pH值，步进电机驱动电路见图7。2.3.2 水泵直流电机驱动水泵的转速直接控制流速，间接控制液位。在本系统中水泵将电动机的机械能传送给营养液，进而带动营养液在培养缸中循环流动。在营养液循环系统中，要求入水管和出水管处的水泵电机都可快速平滑调速。根据经验选择MOS管驱动电路，器件选用LR7843 N-MOS。理论上LR7843能够最大
13、通过160A电流并且内阻极低，同时采用中频、中压H桥N沟道MOSFET驱动芯片HIP4082作为直流电机驱动电路的管理芯片。水泵直流电机驱动见图8。3 系统软件流程系统程序设计流程由上电开始，首先系统初始化，配置各I/O管脚、配置各定时器、使能各模块时钟，然后打开定时器，此时微控制器开始控制整个培养液循环系统。按照水温、液位和流速、pH值的顺序，STM32单片机通过其外设逐一采集环境参数，根据设定植物不同生长阶段的指标和实时的环境数据进行数据处理和逻辑判断，进而发出相应的指令控制加热器、制冷器、水泵和蠕动泵进行参数调节，使环境参数尽可能地满足设定值，给予植物适宜生长的环境。软件主要流程见第74页图9。4 结论本文将营养液系统从整个植物工厂系统中抽离出来，着重于微型植物工厂营养液循环系统的设计。该设计采用RW1820B、超声波、流速计、ADI公司的芯片ADA4505实现了对营养液环境参数的高效率、高精度采集，选用STM32F407单片机作为植物工厂的主控芯片，通过STM32单片机强大的中断能力及计算能力实现了对微型植物工厂营养液的温度、液位、流速、pH值的实时监控，通过单片机对加热器、制冷器、水泵、蠕动泵等调控机构发出相应指令调控微型植物工厂营养液，使营养液的环境达到最佳，大大提高了植物的生长速度。