馮澍，盛慶華，陳潔，張乃聰
?。ê贾蓦娮涌萍即髮W(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）
摘要：本設(shè)計主要針對陽臺農(nóng)業(yè)的特殊性和當(dāng)前居家種植植物在無人照料時可能存在的由光照、濕度不足等問題造成的植株生長問題提出解決方案。使用土壤溫濕度傳感器采集土壤墑情以實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)水及補(bǔ)光、遮陽處理。攝像頭結(jié)合路由器通過WLAN鏈接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對植物的遠(yuǎn)程看護(hù)。經(jīng)過對太陽能的采集和儲存，將本系統(tǒng)與市電隔離，保證用電安全的同時節(jié)能環(huán)保。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以根據(jù)土壤溫濕度進(jìn)行自動精確補(bǔ)水補(bǔ)光，植物影像可以從攝像頭經(jīng)WLAN傳回計算機(jī)?？筛櫶柲茈姵刈畲蠊β庶c(diǎn)以保證高效的能源采集存儲且可以在連續(xù)陰雨天氣保證電量供應(yīng)。
關(guān)鍵詞：陽臺農(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越想有一個舒適的環(huán)境和愜意的生活，陽臺農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。自己動手種些時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一個難題——沒有足夠的時間和精力。因此，設(shè)計一款完全由太陽能供電以減小經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)、提高安全性、適用于陽臺室內(nèi)植物種植自動控制的植物看護(hù)系統(tǒng)具有較大的研究價值。
1系統(tǒng)方案
本設(shè)計以太陽能能量收集與存儲、土壤溫濕度檢測及補(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)計內(nèi)容，最終實(shí)現(xiàn)一種由太陽能供電、可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動補(bǔ)水補(bǔ)光、可遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)看護(hù)的自動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。該設(shè)計主要包括太陽能充電單元、蓄電池充放電及負(fù)載用電監(jiān)測單元、系統(tǒng)供電單元、土壤溫濕度傳感器信號處理單元、繼電器控制單元、有機(jī)電激光顯示（OrganicElectroLuminesence Display, OELD）單元6個單元。硬件部分完成能源采集、存儲、供應(yīng)，信號采集，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
2.1太陽能充電單元
太陽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)載阻抗也會相應(yīng)發(fā)生變化，造成太陽能電池板不能將產(chǎn)生的功率以最大效率存儲進(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)計的實(shí)現(xiàn)提供了可能。CN3722是一款可使用太陽能電池供電的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)將太陽能電池電壓接入MPPT管腳調(diào)制，配合片外兩個電阻（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)計中使用的多晶硅太陽能電池板參數(shù)如表1所示。
2.2蓄電池充放電及負(fù)載用電監(jiān)測單元
蓄電池電量信息是能源存儲和使用相關(guān)的重要信息。該單元主要包括對電池電壓、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8通道10 bit A/D轉(zhuǎn)換器。采樣電阻的電壓信號采集及放大選用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、雙向電流檢測等優(yōu)點(diǎn)。
對蓄電池充電部分的電流監(jiān)測進(jìn)行正向充電電流監(jiān)測，將INA282的REF1、REF2引腳直接接地處理，單向電流監(jiān)測電路圖如圖3所示。在蓄電池與負(fù)載端，為保證電池續(xù)航時間并保證電量充足需要分別監(jiān)測流入流出蓄電池的電流大小，使用雙向電流監(jiān)測功能。雙向電流檢測電路圖如圖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存的太陽能提供，因此合適高效的降壓供電單元以減少電能損耗，保證整個系統(tǒng)無需外部電力補(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定土壤介電常數(shù)，進(jìn)而測量含水量［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分別轉(zhuǎn)換為0~2 V電壓信號。將傳感器信號通過低通濾波電路接入微控制器A/D轉(zhuǎn)換器即可通過計算得出土壤溫濕度。信號處理硬件濾波采用電路結(jié)構(gòu)簡單的RC低通濾波器設(shè)計，-3 dB截止頻率為15.9 Hz。傳感器信號采集濾波電路如圖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，繼電器斷開時線圈內(nèi)儲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
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最基本的生存條件，同時也是本設(shè)計中最重要的數(shù)據(jù)。對傳感器采集回的數(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)時時鐘(Real Time Clock, RTC)外設(shè)模塊［8］，因此為了不占用其他程序執(zhí)行時間并盡可能降低功耗，本設(shè)計通過外接32.768 KHz晶振，并通過單片機(jī)內(nèi)部分頻后，產(chǎn)生滴答時鐘信號作為定時器計數(shù)脈沖，將定時器設(shè)定為每經(jīng)過一秒鐘便進(jìn)入一次定時器中斷，處理中斷程序。土壤溫濕度采樣部分也是基于該定時器中斷進(jìn)行判斷和處理。主程序流程圖如圖10所示。
4測試結(jié)果
系統(tǒng)測試主要是對太陽能MPPT充電系統(tǒng)的測試。電池空載電壓12.95 V，系統(tǒng)靜態(tài)工作電流為27 mA，此時對應(yīng)蓄電池恒壓充電過程。MPPT充電點(diǎn)設(shè)置為14.7 V。當(dāng)太陽能板帶載電壓高于15.4 V時開始為電池充電。此階段隨著太陽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，達(dá)到恒壓充電點(diǎn)。隨著太陽能板電流的增大，電壓不再增大，電流增速變快，如圖11、圖12所示。
太陽能板充電效率隨著太陽能電流的增大呈上升趨勢，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
由測試結(jié)果可知，本設(shè)計可在長時間無外加電源的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)且工作性能穩(wěn)定。太陽能供電效果良好，充電效率高，蓄電池存儲電能能力強(qiáng)，能夠滿足系統(tǒng)在弱光或無光照條件下連續(xù)工作較長時間的要求，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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