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浅析设计家庭园艺智能控制器的方式
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摘要：随着社会经济发展和人民群众生活水平的提高，越来越多的人开始关注家庭园艺，期望通过这种方式营造更加宜人的生活环境，而可以实现对空气温湿度、土壤湿度、光照强度和二氧化碳浓度的测量的家庭园艺控制系统，通过对其在测量基础上借助模糊控制理论启动执行器对部分参数进行调整后,本系统可以做到预期的要求。
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1、背景
随着社会经济发展和人民群众生活水平的提高，越来越多的人开始关注家庭园艺，期望通过这种方式营造更加宜人的生活环境，舒缓压力，增加家庭中的自然气息和生活情趣。所谓家庭园艺是指在居室内、阳台、屋顶、露台或庭院等空间范围内从事园艺植物栽培和装饰的活动。传统的家庭园艺需要投入大量的额外时间和精力，但大部分家庭园艺爱好者对植物基本养护知识知之甚少，对植物生长习性和环境因子估计不足，尤其是面对多种不同来源的植物时，养护随意性很强，再加上工作繁忙，造成很多植物的生长达不到预期状态，甚至造成不必要的损失，浪费了很多时间、精力和金钱。从农业角度看来，家庭园艺属于微农业范畴，近年来在国内外受到很大关注，部分国家和企业也推出了一些产品，但这些智能化产品大多面向规模化的智能种植，设备成本较高，并不适合家庭环境，因此开发一种较为经济的家庭园艺智能控制器很有必要。
2、系统功能规划与硬件设计
2.1 系统工作原理
图1 系统框图
该智能控制器系统主要功能是采集环境因子信息、对采集信息进行分析显示、根据预设模式控制外部设备进行环境干预等。因此该系统主要包括环境因子采集器、智能控制器和执行器三部分。其中环境因子采集器主要负责采集光照、空气温湿度、土壤湿度等信息；控制器主要负责对采集信息的信息搜集与分析并做出决策，并指导执行器进行环境干预；执行器包括开关、控制阀、继电器等，用于在控制器指挥下通过阀门和开关，进行滴灌、喷雾、补光等作业。其系统框图如图1所示。
2.2 系统硬件组成
2.2.1 STM32芯片。本系统采用STM32为核心，该单片机为STC公司成熟产品之一，可用于收集传感器提供的环境信息并进行深入分析，也可以连接各种外设将信息及时表达出来。
2.2.2 光敏传感器。与补光灯光照信息采集电路采用GL5528光敏电阻为传感器，可对光谱峰值为540nm的光线进行测量，10Lux下亮电阻为10-20KΩ，暗电阻约为1MΩ，可在环境温度为-30~70℃环境下工作。将光敏电阻与一固定阻值电阻串联，将节点电压分压转换后送单片机ADC口即可根据检测到的模拟电压对当前光照情况进行分析判断。当光照强度过弱时，打开补光灯实施补光。也可以根据植物生长需要，实施连续强制补光。补光灯所采用的颜色以满足植物生长需要，波长为640~660nm的红光和波长为430~450nm的蓝紫光为主。
2.2.3 空气温湿度传感器。温湿度信息来自于AM2301型空气温湿度传感器，该传感器采用单总线传送方式，供电电压为5V，可以2s/次的刷新率对-40-80℃范围内的温度信息和RH10-90%的湿度信息进行可靠检测。当空气湿度过低时，喷雾提示灯将闪烁，提示用户及时喷雾补水。
2.2.4 二氧化碳浓度传感器。二氧化碳信息来自于MG811二氧化碳传感器，该传感器采用固态电解质电池原理测量二氧化碳，受空气温湿度的影响较小，年漂移量预期只有20PPM，长期稳定性好，对二氧化碳有着良好的灵敏性，无需校准，性价比高，适合对价格要求严格的应用场合。
2.2.5 土壤湿度传感器。土壤湿度信息使用四线制土壤湿度传感器感应获得，其接口电路如图2所示。其中RP即为土壤湿度传感器，该传感器与固定电阻R2串联，分压结果通过比较起比较后上拉输出。RP1可以调节系统阈值。同时分压结果也可以直接进ADC以便获得更精确的土壤湿度信息。如土壤湿度过低，系统将启动滴灌控制阀，通过滴灌方式向土壤实施补水操作。
图2 土壤湿度传感器接口电路
3、软件设计
3.1 软件设计
思路当上电后，系统工作流程首先完成各模块及芯片的初始化，接着依次进行各环境数据采集，通过比对设置参数判断是否执行控制模块动作对环境参数进行调控，最后OLED实时显示出来，最后图3为系统主函数流程。
图3 系统主函数流程图
3.2 控制相关算法
由于环境控制测量因素较多，且部分因素存在较明显的非线性，系统的控制精度要求并不严格，因此考虑使用简单的模糊控制算法。模糊控制算法就是以模糊数学理论为基础发展而来的一种非线性控制算法，这种算法的优点是不需要为控制对象建立起精确的数学模型而是利用项目工作人员的长期经验和大量数据汇总而成的语言控制规则，并将其转化为可编辑的多变量模糊控制器。根据家庭园艺环境设计一个多变量的模糊控制器，确定其输入、输出变量。本系统的控制对象为空气温湿度，土壤湿度，光照强度，执行机构为滴灌系统，喷雾装置，补光灯。因此确定变量TF——温度偏差；TF'——温度偏差变化率；HF1——空气湿度偏差；HF1'——空气湿度偏差变化率；HF2——土壤湿度偏差；HF2'——土壤湿度偏差变化率；LF——光照强度偏差；LF'——光照强度偏差变化率。模糊语言变量与输出变量的对应关系为：E1——滴灌系统开关；E2——喷雾开关；E3——补光灯开关[4]。采用模糊条件语句设定输入输出量的语言为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，即{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2.3}。为了反映模糊集合的不确定性需要建立隶属函数，在这里采用三角形隶属度函数，其具有计算相对简单且具有良好的灵活性的特点。如公式（1）所示：
根据隶属度函数将输入变量量化为7个等级，进而得到对应的模糊语言变量E的隶属度赋值表。而多变量模糊控制器输出的是一组不同取值的模糊语言组合，由于被控对象只接受一个精准值来进行调整，所以必须从模糊集中判断出一个精准量，在这里我们采用加权平均数算法进行解模糊化处理。
设定一个广义输入变量（x10，x20，…，xm0），各规则的输出为yi(i=1，2，…，n)，根据模糊规则求出输出量y的加权平均值。如公式（2）所示：
最后根据以上所求得的数据确定输出变量，针对这些变量来决定控制系统执行器是否运行，对家庭园艺环境进行补光，滴灌，喷雾等工作。
表1 空气温湿度测得数据
4、测试情况
表1为测量数据，并于测量仪测得数据比较，分析可知系统测得的各项数据浓度误差都在±5%RH以内，温度误差最大在±1℃左右。均符合设计指标。
5、总结
文章设计了基于STM32的智能家庭园艺控制系统，通过OLED实时测量显示出空气温湿度、土壤湿度和CO2浓度四项参数，可向家庭园艺爱好者提供直观数据，以便其对植物生长环境进行干预，同时也具备一定的智能功能，可在用户外出等情况下对家庭园艺（花圃）实施自动管理，节约人力，有利于提高家庭园艺种植的成功率。
参考文献：
[1]阳领.基于单片机的智能家居加湿系统设计[J].科技风,2018(27):155.
[2]季宝杰,邹彩虹,王永田.基于单片机的温室自动控制系统设计[J].计算机测量与控制,2007(01):73-75+105.
[3]谷沛尚,田芳明,常永新,赵欣宇,郭德占,赵琛,那阳.基于STM32单片机的作物生长环境监控系统设计[J].科技创新与应用,2017(30):43+45.
[4]李萌,孙铁波,胡磊.多目标温室测控系统模糊控制算法的实现[J].机电技术,2013(5):48-49.
王尧,何鹏,李帅祺,等.家庭园艺智能控制器设计[J].科技视界,2019,(24):23-24,26.
基金项目:2018年宁波财经学院校级科研项目(1042218008).
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期刊名称：园艺学报
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主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国园艺学会,中国农业科学院蔬菜花卉研究所
出版地方：北京
专业分类：农业
国际刊号：0513-353X
国内刊号：11-1924/S
邮发代号：82-471
创刊时间：1962年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
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2020-02-20
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