本發(fā)明涉及一種檢測裝置，尤其涉及一種微型植物工廠智能控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微型植物工廠是近年設(shè)施農(nóng)業(yè)行業(yè)出現(xiàn)的新事物，它將大型植物工廠技術(shù)進一步濃縮，在有限密閉的環(huán)境中通過智能自動控制系統(tǒng)控制作物生長環(huán)境，為作物提供適宜的溫濕度、光照強度、CO2濃度以及合理比例的營養(yǎng)液，實現(xiàn)作物的周年連續(xù)種植。目前，由于成本和技術(shù)等方面的限制，微型植物工廠的推廣和應(yīng)用尚處于研究和探索階段。

微型植物工廠具有很大的應(yīng)用潛力，在植物工廠技術(shù)比較發(fā)達的日本、美國和荷蘭等國家，針對家庭使用的微型植物工廠已有應(yīng)用，在美化家居凈化空氣的同時能滿足人們對安全無公害蔬菜的需求。鑒于此，近些年國內(nèi)一些科研單位也開始著手微型植物工廠的研制，并取得了顯著成果。在現(xiàn)階段的植物工廠控制系統(tǒng)研究中，多采用PLC作為控制器，以PID控制作為控制算法，這使得控制系統(tǒng)的成本較高，且傳統(tǒng)的PID控制應(yīng)用在微型植物工廠這類非線性、大滯后系統(tǒng)時無法很好地滿足控制要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)的PID控制應(yīng)用在微型植物工廠這類非線性、大滯后系統(tǒng)時無法很好地滿足控制要求的問題，設(shè)計了一種微型植物工廠智能控制系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

微型植物工廠智能控制系統(tǒng)由環(huán)境因子采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機交互模塊、處理器模塊以及執(zhí)行控制模塊等部分構(gòu)成。

所述的環(huán)境因子采集模塊包括光照傳感器、溫濕度傳感器和CO₂傳感器，該模塊能準確、實時地對微型植物工廠內(nèi)部溫度和濕度等多個環(huán)境因子信息進采集。

所述的溫濕度傳感器采用AM2311型，它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的傳感器，可以進行遠距離信號傳輸，適合在微型植物工廠內(nèi)部通過長線纜分層布置，該模塊通信接口采用標準I²C接口模式。

所述的光照度傳感器采用RHOM 的數(shù)字型光強度傳感器BH1750FVI 型，此傳感器內(nèi)置高精度的16位A/D 轉(zhuǎn)換器，可以直接輸出照度值，采用I² C總線連接，系統(tǒng)通過STM32自帶的I²C 接口實現(xiàn)光照強度信息的采集。

所述的CO₂濃度的測量使用固態(tài)電化學(xué)型傳感器TGS4160型，由于傳感器本身接口比較復(fù)雜，本系統(tǒng)選用的是成型的傳感器模塊，可以直接輸出數(shù)字信號。

所述的數(shù)據(jù)存儲模塊利用MicroSD卡作為存儲介質(zhì)，存儲微型植物工廠內(nèi)部溫濕度等環(huán)境因子歷史數(shù)據(jù)，并采用FATFS文件系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)按日期和類型進行分類管理。

所述的人機交互模塊采用XPT2046驅(qū)動的觸摸屏進行人機交互操作，可以進行參數(shù)的設(shè)定以及環(huán)境信息的實時顯示。

所述的處理器模塊采用STM32控制器為系統(tǒng)的核心，它通過對傳感器采集數(shù)據(jù)的分析決策，進而發(fā)送命令，控制繼電器的開/關(guān)，通過執(zhí)行機構(gòu)間的協(xié)調(diào)工作使微型植物工廠內(nèi)部環(huán)境維持在適宜作物生長的范圍內(nèi)。

所述的執(zhí)行機構(gòu)采用開關(guān)量控制，另外在GPIO口與環(huán)境控制設(shè)備之間增加了光耦TLP521-4、驅(qū)動器MC1413以及中間繼電器HF49F。同時在電路設(shè)計上采用單獨的電源和接地來減少干擾。

本發(fā)明的有益效果是：

該系統(tǒng)采用高性能的STM32芯片和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC /OS-Ⅱ進行硬件和軟件設(shè)計，并利用模糊解耦和模糊控制的方法實現(xiàn)了溫濕度的解耦和有效控制，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。該智能控制系統(tǒng)的成功研制為微型植物工廠快速進入市場應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是SD 卡接口電路圖。

圖3是執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路圖。

具體實施方式

如圖1所示，微型植物工廠智能控制系統(tǒng)由環(huán)境因子采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機交互模塊、處理器模塊以及執(zhí)行控制模塊等部分構(gòu)成。STM32控制器定時向相應(yīng)的傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，傳感器收到命令后對微型植物工廠內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，之后將采集到的數(shù)據(jù)返回給控制器，控制系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進行融合處理后送SD卡存儲，然后按照已經(jīng)設(shè)定的作物生長需要的環(huán)境因子閾值的判定，控制相應(yīng)繼電器的開/關(guān)，進而控制相關(guān)加熱管、壓縮機等執(zhí)行機構(gòu)的開啟/關(guān)閉。控制系統(tǒng)不斷重復(fù)之前的過程，進行環(huán)境因子的不斷檢測，構(gòu)成了一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LED 燈組進行人工補光，使用水泵進行營養(yǎng)液的循環(huán)控制，微型植物工廠內(nèi)部環(huán)境中CO₂和O₂與外部環(huán)境氣體的交換是通過外循環(huán)風扇實現(xiàn)的，這3種執(zhí)行器都采用定時方式控制。溫度和濕度則根據(jù)設(shè)定的閾值進行自動控制。當溫度低于設(shè)定值時，加熱器啟動，熱空氣從植物工廠底部向上流動，通過內(nèi)循環(huán)風扇的輸送使內(nèi)部熱空氣分布均勻，當溫度達到設(shè)定值時，關(guān)閉加熱器。當溫度過高或濕度變化時采用同樣的方式進行智能調(diào)控，使溫濕度等環(huán)境參數(shù)維持在設(shè)定的范圍內(nèi)，滿足作物生長需要。

如圖2所示，系統(tǒng)采用1GB的MicroSD卡存儲采集到的溫濕度信息，該卡的接口和普通SD卡的接口是兼容的。STM32處理器自身具有一個SDIO接口模塊，為其AHB外設(shè)總線和SD存儲卡之間提供了互聯(lián)接口。系統(tǒng)采用的是SD 存儲卡接口支持的4位SD模式，每個有效信號都需要接10kΩ電阻。SDIO_D［3: 0］是4位數(shù)據(jù)傳輸線，SDIO_CK信號線是SD卡的時鐘信號，每個時鐘周期在命令和數(shù)據(jù)線上傳輸1位命令或數(shù)據(jù)，SDIO_CMD是SD卡的雙向命令/響應(yīng)信號線。

如圖3所示，系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)采用開關(guān)量控制，STM32的GPIO口直接輸出的信號較弱，通常不足以直接驅(qū)動設(shè)備運行，所以在GPIO口與環(huán)境控制設(shè)備之間增加了光耦TLP521-4、驅(qū)動器MC1413以及中間繼電器HF49F，利用光耦降低強電設(shè)備在啟動/關(guān)閉過程中電流波動對系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的影響，驅(qū)動器MC1413可以增強輸出信號進而通過繼電器的開/關(guān)控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。同時在電路設(shè)計上采用單獨的電源和接地來減少干擾。

在液晶屏主界面上設(shè)置了“系統(tǒng)時間設(shè)置”、“系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置”、“歷史數(shù)據(jù)查詢”、“關(guān)閉系統(tǒng)”4個子界面圖標，點擊相應(yīng)圖標可以在各功能子界面下實現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中，系統(tǒng)時間設(shè)置子界面可以顯示并設(shè)置當前的時間； 參數(shù)設(shè)置子界面可以對系統(tǒng)的參數(shù)進行設(shè)定，包括根據(jù)作物生長要求增減生長階段以及分別設(shè)定各階段的溫度、濕度和運行時間等參數(shù)； 查詢歷史數(shù)據(jù)子界面不僅能夠按日期顯示歷史數(shù)據(jù)，而且可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出或刪除某些數(shù)據(jù)； 關(guān)閉系統(tǒng)子界面可以根據(jù)用戶需要關(guān)閉控制系統(tǒng)，然后對植物工廠進行某些操作，避免直接操作對控制系統(tǒng)造成不良的影響。

為了增強系統(tǒng)的實時性和后續(xù)功能的易擴展性，在STM32 中移植了一個μC /OS-Ⅱ內(nèi)核，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC /OS-Ⅱ進行程序設(shè)計。μC /OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過7 個任務(wù)來完成所要求的功能，主要有系統(tǒng)主任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、數(shù)據(jù)寫入SD卡任務(wù)、μCGUI圖形用戶接口任務(wù)、觸摸屏任務(wù)以及控制決策任務(wù)。主任務(wù)的建是通過調(diào)用App_TaskStart( ) 函數(shù)完成的，再由該函數(shù)調(diào)用App_TaskCreate( ) 建立其他6個任務(wù)，給這些任務(wù)賦予不同的優(yōu)先級，同時采用信號量進行任務(wù)間調(diào)度的協(xié)調(diào)。這些任務(wù)按功能可分為信息采集、數(shù)據(jù)處理和存儲、控制決策以及人機交互4個模塊。信息采集模塊控制傳感器定時采集環(huán)境因子信息； 數(shù)據(jù)處理和存儲模塊把采集來的數(shù)據(jù)進行融合處理后送SD 卡進行存儲，使用FATFS文件系統(tǒng)對SD卡中的數(shù)據(jù)文件進行讀寫和管理； 控制決策模塊則根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用智能控制算法控制環(huán)境調(diào)控設(shè)備，使微型植物工廠內(nèi)部各環(huán)境因子維持在預(yù)定值； 人機交互模塊完成微型植物工廠內(nèi)溫濕度的顯示和歷史數(shù)據(jù)的查詢，采用開源的圖形界面軟件μCGUI編程實現(xiàn)。

溫度和濕度控制經(jīng)過模糊解耦后轉(zhuǎn)換成2個獨立變量控制，即溫度單回路控制和濕度單回路控制?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計了溫度模糊控制器和濕度模糊控制器，系統(tǒng)中溫度偏差eT的變化范圍為［－4，4］，其變化率"eT變化范圍為［－0.6，0.6］，濕度偏差eH及其變化率"eH的范圍分別為［－20%，20%］和［－8%，8%］，以溫度模糊控制器的設(shè)計為例進行說明，濕度模糊控制器與之類似。溫度模糊控制器是一個兩輸入、單輸出的二維模糊控制器，輸入變量為被控對象的溫度偏差eT和偏差的變化率"eT，輸出變量為溫度調(diào)控設(shè)備的工作時間t，相應(yīng)的模糊集為E、"E 和T。E、"E的模糊語言變量定義為{ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} ，相應(yīng)的模糊論域為{ 6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6} ，溫度偏差的量化因子k1 = 1.5，溫度變化率的量化因子k2 = 10。輸出變量執(zhí)行機構(gòu)工作時間t最長為20min，其基本論域為［－20，20］，T的模糊集為{ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} ，模糊論域為{ －6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6} ，量化因子kt=0.3。系統(tǒng)在模糊控制器設(shè)計過程中根據(jù)對環(huán)境因子的影響將執(zhí)行機構(gòu)控制進行了合并處理，如溫度控制中，當輸出為正值時則加熱器工作開始升溫，負值時壓縮機工作開始降溫，將原本兩輸入、兩輸出的溫度模糊控制器簡化為兩輸入、單輸出結(jié)構(gòu)。

模糊解耦器是溫濕度模糊解耦單元的核心。模糊解耦器是一個2輸入、2輸出的二維模糊解耦器，它的輸入eT為溫度偏差，eH為濕度偏差，輸出Ct和Ch分別是溫度回路補償量和濕度回路補償量。本系統(tǒng)中溫度偏差eT變化范圍為［－4，4］，根據(jù)系統(tǒng)控制要求模糊論域取為{ －5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5} ，量化因子k1 = 1.25。濕度偏差eH變化范圍為［－20%，20%］，模糊論域取為{ －5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5} ，量化因子k2 = 25。eT和eH的語言變量選取7 個語言值:{ NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} 。

溫濕度控制系統(tǒng)輸出控制量是模糊控制輸出加上模糊解耦補償值，利用離線程序設(shè)計的方法，將最終的控制輸出以查詢表的形式存放在STM32的FlashROM中，在控制決策任務(wù)中編制一個查找查詢表的子程序。實際控制過程中，在每個控制周期中根據(jù)采集計算到的溫濕度偏差及其偏差變化率查詢得出實際的控制輸出量。根據(jù)查表求出的控制量去控制執(zhí)行機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對微型植物工廠內(nèi)部溫濕度的智能控制。