馮澍，盛慶華，陳潔，張乃聰
（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）
摘要：本設(shè)計(jì)主要針對(duì)陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)的特殊性和當(dāng)前居家種植植物在無(wú)人照料時(shí)可能存在的由光照、濕度不足等問題造成的植株生長(zhǎng)問題提出解決方案。使用土壤溫濕度傳感器采集土壤墑情以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水及補(bǔ)光、遮陽(yáng)處理。攝像頭結(jié)合路由器通過WLAN鏈接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的遠(yuǎn)程看護(hù)。經(jīng)過對(duì)太陽(yáng)能的采集和儲(chǔ)存，將本系統(tǒng)與市電隔離，保證用電安全的同時(shí)節(jié)能環(huán)保。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以根據(jù)土壤溫濕度進(jìn)行自動(dòng)精確補(bǔ)水補(bǔ)光，植物影像可以從攝像頭經(jīng)WLAN傳回計(jì)算機(jī)。可跟蹤太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)以保證高效的能源采集存儲(chǔ)且可以在連續(xù)陰雨天氣保證電量供應(yīng)。
關(guān)鍵詞：陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)；能量收集；MPPT；聯(lián)網(wǎng)控制
0引言
隨著生活水平的提高及環(huán)境狀況的惡化，生活在城市中的居民越來(lái)越想有一個(gè)舒適的環(huán)境和愜意的生活，陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。自己動(dòng)手種些時(shí)令蔬菜滿足自家的需求，種植觀賞性的植物為室內(nèi)環(huán)境增添美感，同時(shí)還具有凈化空氣、降低粉塵的作用。然而繁忙的工作、頻繁的出差和較大的工作生活壓力都可能給家居植物種植帶來(lái)一個(gè)難題——沒有足夠的時(shí)間和精力。因此，設(shè)計(jì)一款完全由太陽(yáng)能供電以減小經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)、提高安全性、適用于陽(yáng)臺(tái)室內(nèi)植物種植自動(dòng)控制的植物看護(hù)系統(tǒng)具有較大的研究?jī)r(jià)值。
1系統(tǒng)方案
本設(shè)計(jì)以太陽(yáng)能能量收集與存儲(chǔ)、土壤溫濕度檢測(cè)及補(bǔ)水補(bǔ)光控制、攝像頭圖像聯(lián)網(wǎng)傳輸為主要目的，以高效能量收集、能量反饋與電源管理、高精度土壤濕度采集與補(bǔ)水控制、照片聯(lián)網(wǎng)傳輸為設(shè)計(jì)內(nèi)容，最終實(shí)現(xiàn)一種由太陽(yáng)能供電、可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)水補(bǔ)光、可遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)看護(hù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該設(shè)計(jì)主要包括太陽(yáng)能充電單元、蓄電池充放電及負(fù)載用電監(jiān)測(cè)單元、系統(tǒng)供電單元、土壤溫濕度傳感器信號(hào)處理單元、繼電器控制單元、有機(jī)電激光顯示（OrganicElectroLuminesence Display, OELD）單元6個(gè)單元。硬件部分完成能源采集、存儲(chǔ)、供應(yīng)，信號(hào)采集，補(bǔ)水補(bǔ)光功能；軟件部分主要完成采集數(shù)據(jù)的分析和補(bǔ)水、補(bǔ)光控制。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1太陽(yáng)能充電單元
太陽(yáng)能電池板在一定光照強(qiáng)度下的輸出功率恒定，隨著電池電量的變化其負(fù)載阻抗也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，造成太陽(yáng)能電池板不能將產(chǎn)生的功率以最大效率存儲(chǔ)進(jìn)電池。為提高充電效率并保證系統(tǒng)電量的穩(wěn)定供應(yīng)，所設(shè)計(jì)的電路應(yīng)具有最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Trackin, MPPT)功能以保證最高轉(zhuǎn)換效率。上海如韻電子公司推出的CN3722［1］為本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。CN3722是一款可使用太陽(yáng)能電池供電的PWM 降壓模式充電管理芯片,具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能，同時(shí)還具備恒流和恒壓充電兩種模式，恒流充電電流ICH及恒壓充電電壓VBAT的設(shè)定分別由式（1）、（2）給出，其中RCS是連接于CSP管腳和BAT管腳之間的充電電流檢測(cè)電阻，IB是FB管腳的偏置電流，其典型值是50 nA。
CN3722采用恒定電壓法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將太陽(yáng)能電池電壓接入MPPT管腳調(diào)制，配合片外兩個(gè)電阻（R3、R8）便可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤［2］。CN3722典型應(yīng)用電路如圖2所示。
本設(shè)計(jì)中使用的多晶硅太陽(yáng)能電池板參數(shù)如表1所示。
2.2蓄電池充放電及負(fù)載用電監(jiān)測(cè)單元
蓄電池電量信息是能源存儲(chǔ)和使用相關(guān)的重要信息。該單元主要包括對(duì)電池電壓、電流的放大、濾波及采集功能。電壓采集采用電阻分壓方式獲得，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器，為提高精度本設(shè)計(jì)使用1%精度貼片電阻。電流采樣使用高精度20 mΩ金屬貼片采樣電阻，以減小測(cè)量誤差，降低功率損耗。
系統(tǒng)使用MSP430G2553［3］單片機(jī)微控制器。其內(nèi)部具有1個(gè)8通道10 bit A/D轉(zhuǎn)換器。采樣電阻的電壓信號(hào)采集及放大選用TI公司生產(chǎn)的INA282［4］高精度、寬共模范圍、雙向電流分流監(jiān)視器。其具有單電源供電、零漂移、雙向電流檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)蓄電池充電部分的電流監(jiān)測(cè)進(jìn)行正向充電電流監(jiān)測(cè)，將INA282的REF1、REF2引腳直接接地處理，單向電流監(jiān)測(cè)電路圖如圖3所示。在蓄電池與負(fù)載端，為保證電池續(xù)航時(shí)間并保證電量充足需要分別監(jiān)測(cè)流入流出蓄電池的電流大小，使用雙向電流監(jiān)測(cè)功能。雙向電流檢測(cè)電路圖如圖4所示。
2.3系統(tǒng)供電單元
系統(tǒng)所使用的電能全部由蓄電池儲(chǔ)存的太陽(yáng)能提供，因此合適高效的降壓供電單元以減少電能損耗，保證整個(gè)系統(tǒng)無(wú)需外部電力補(bǔ)充的續(xù)航能力。本系統(tǒng)使用上海芯龍半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的XL6019［5］電源芯片。芯片應(yīng)用電路如圖5所示。
2.4土壤溫濕度傳感器信號(hào)處理單元
使用基于頻域反射(Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR)原理的土壤濕度傳感器采集土壤濕度，通過電磁波在不同介質(zhì)中反射頻率的不同測(cè)定土壤介電常數(shù)，進(jìn)而測(cè)量含水量［6］。溫度采集功能集成于傳感器中，傳感器將濕度和溫度信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為0~2 V電壓信號(hào)。將傳感器信號(hào)通過低通濾波電路接入微控制器A/D轉(zhuǎn)換器即可通過計(jì)算得出土壤溫濕度。信號(hào)處理硬件濾波采用電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的RC低通濾波器設(shè)計(jì)，-3 dB截止頻率為15.9 Hz。傳感器信號(hào)采集濾波電路如圖6所示。
2.5繼電器控制單元
MSP430微控制器通過輸出高低電平控制繼電器的通斷從而控制補(bǔ)水、補(bǔ)光過程。使用NXP公司生產(chǎn)的P2501光電耦合器實(shí)現(xiàn)電器隔離，保證用電安全。NPN三極管起到開關(guān)及擴(kuò)流作用。繼電器串聯(lián)在電源與三極管集電極之間，繼電器斷開時(shí)線圈內(nèi)儲(chǔ)存的能量由與繼電器反向并聯(lián)的二極管泄放。繼電器控制單元電路圖如圖7所示。
2.6OLED顯示單元
本系統(tǒng)需要顯示較多數(shù)據(jù)，因此選用低功耗、高亮度、高分辨率的OLED128×64顯示屏實(shí)現(xiàn)顯示功能［7］。OLED使用SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片，支持四線串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface,SPI)通信方式，能在滿足顯示數(shù)據(jù)多的情況下使用較少的微控制器I/O資源，同時(shí)滿足系統(tǒng)低功耗的要求。顯示屏與微處理器SPI通信連接圖如圖8所示。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1土壤溫濕度采集及補(bǔ)水流程
土壤溫濕度是植株生長(zhǎng)最基本的生存條件，同時(shí)也是本設(shè)計(jì)中最重要的數(shù)據(jù)。對(duì)傳感器采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷并進(jìn)行補(bǔ)水補(bǔ)光是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。綜合復(fù)雜度和濾波效果最終選用中值濾波法對(duì)土壤溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在不進(jìn)行補(bǔ)水操作的情況下，每分鐘采集6次數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行冒泡排序，取中間兩次數(shù)據(jù)的平均值作為有效數(shù)據(jù)。將該數(shù)據(jù)與設(shè)定土壤濕度閾值比較，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定濕度后控制水泵進(jìn)行補(bǔ)水處理。濕度檢測(cè)及補(bǔ)水程序框圖如圖9所示。
3.2主程序流程
由于MSP430微控制器內(nèi)部沒有實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real Time Clock, RTC)外設(shè)模塊［8］，因此為了不占用其他程序執(zhí)行時(shí)間并盡可能降低功耗，本設(shè)計(jì)通過外接32.768 KHz晶振，并通過單片機(jī)內(nèi)部分頻后，產(chǎn)生滴答時(shí)鐘信號(hào)作為定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖，將定時(shí)器設(shè)定為每經(jīng)過一秒鐘便進(jìn)入一次定時(shí)器中斷，處理中斷程序。土壤溫濕度采樣部分也是基于該定時(shí)器中斷進(jìn)行判斷和處理。主程序流程圖如圖10所示。
4測(cè)試結(jié)果
系統(tǒng)測(cè)試主要是對(duì)太陽(yáng)能MPPT充電系統(tǒng)的測(cè)試。電池空載電壓12.95 V，系統(tǒng)靜態(tài)工作電流為27 mA，此時(shí)對(duì)應(yīng)蓄電池恒壓充電過程。MPPT充電點(diǎn)設(shè)置為14.7 V。當(dāng)太陽(yáng)能板帶載電壓高于15.4 V時(shí)開始為電池充電。此階段隨著太陽(yáng)能板提供電流的增大，電流與電壓均平緩上升。當(dāng)電壓增大到16.5 V時(shí)，達(dá)到恒壓充電點(diǎn)。隨著太陽(yáng)能板電流的增大，電壓不再增大，電流增速變快，如圖11、圖12所示。
太陽(yáng)能板充電效率隨著太陽(yáng)能電流的增大呈上升趨勢(shì)，效率在70%~80%之間，如圖13所示。滿足系統(tǒng)供電需求。實(shí)際測(cè)試顯示，當(dāng)電池充滿電情況下可以正常運(yùn)行120天。
5結(jié)論
由測(cè)試結(jié)果可知，本設(shè)計(jì)可在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)外加電源的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)且工作性能穩(wěn)定。太陽(yáng)能供電效果良好，充電效率高，蓄電池存儲(chǔ)電能能力強(qiáng)，能夠滿足系統(tǒng)在弱光或無(wú)光照條件下連續(xù)工作較長(zhǎng)時(shí)間的要求，避免系統(tǒng)在連續(xù)陰雨天氣因電量不足死機(jī)、關(guān)機(jī)的情況。
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