适用于阳台农业的智能植物联网看护系统

　　冯澍，盛庆华，陈洁，张乃聪

　　（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）

       摘要：本设计主要针对阳台农业的特殊性和当前居家种植植物在无人照料时可能存在的由光照、湿度不足等问题造成的植株生长问题提出解决方案。使用土壤温湿度传感器采集土壤墒情以实现自动补水及补光、遮阳处理。摄像头结合路由器通过WLAN链接网络实现对植物的远程看护。经过对太阳能的采集和储存，将本系统与市电隔离，保证用电安全的同时节能环保。测试结果显示，该系统可以根据土壤温湿度进行自动精确补水补光，植物影像可以从摄像头经WLAN传回计算机。可跟踪太阳能电池最大功率点以保证高效的能源采集存储且可以在连续阴雨天气保证电量供应。

　　关键词：阳台农业；能量收集；MPPT；联网控制

0引言

　　随着生活水平的提高及环境状况的恶化，生活在城市中的居民越来越想有一个舒适的环境和惬意的生活，阳台农业应运而生。自己动手种些时令蔬菜满足自家的需求，种植观赏性的植物为室内环境增添美感，同时还具有净化空气、降低粉尘的作用。然而繁忙的工作、频繁的出差和较大的工作生活压力都可能给家居植物种植带来一个难题——没有足够的时间和精力。因此，设计一款完全由太阳能供电以减小经济负担、提高安全性、适用于阳台室内植物种植自动控制的植物看护系统具有较大的研究价值。

1系统方案

　　本设计以太阳能能量收集与存储、土壤温湿度检测及补水补光控制、摄像头图像联网传输为主要目的，以高效能量收集、能量反馈与电源管理、高精度土壤湿度采集与补水控制、照片联网传输为设计内容，最终实现一种由太阳能供电、可根据监测数据自动补水补光、可远程联网看护的自动控制系统。本系统总体设计框图如图1所示。该设计主要包括太阳能充电单元、蓄电池充放电及负载用电监测单元、系统供电单元、土壤温湿度传感器信号处理单元、继电器控制单元、有机电激光显示（OrganicElectroLuminesence Display, OELD）单元6个单元。硬件部分完成能源采集、存储、供应，信号采集，补水补光功能；软件部分主要完成采集数据的分析和补水、补光控制。

2硬件设计

　　2.1太阳能充电单元

　　太阳能电池板在一定光照强度下的输出功率恒定，随着电池电量的变化其负载阻抗也会相应发生变化，造成太阳能电池板不能将产生的功率以最大效率存储进电池。为提高充电效率并保证系统电量的稳定供应，所设计的电路应具有最大功率点跟踪(Maximum Power Point Trackin, MPPT)功能以保证最高转换效率。上海如韵电子公司推出的CN3722［1］为本设计的实现提供了可能。CN3722是一款可使用太阳能电池供电的PWM 降压模式充电管理芯片,具有最大功率点跟踪功能，同时还具备恒流和恒压充电两种模式，恒流充电电流ICH及恒压充电电压VBAT的设定分别由式（1）、（2）给出，其中RCS是连接于CSP管脚和BAT管脚之间的充电电流检测电阻，IB是FB管脚的偏置电流，其典型值是50 nA。

　　CN3722采用恒定电压法进行最大功率点跟踪。通过电阻分压网络将太阳能电池电压接入MPPT管脚调制，配合片外两个电阻（R3、R8）便可以实现最大功率点跟踪［2］。CN3722典型应用电路如图2所示。

本设计中使用的多晶硅太阳能电池板参数如表1所示。

　　2.2蓄电池充放电及负载用电监测单元

　　蓄电池电量信息是能源存储和使用相关的重要信息。该单元主要包括对电池电压、电流的放大、滤波及采集功能。电压采集采用电阻分压方式获得，然后送入A/D转换器，为提高精度本设计使用1%精度贴片电阻。电流采样使用高精度20 mΩ金属贴片采样电阻，以减小测量误差，降低功率损耗。

　　系统使用MSP430G2553［3］单片机微控制器。其内部具有1个8通道10 bit A/D转换器。采样电阻的电压信号采集及放大选用TI公司生产的INA282［4］高精度、宽共模范围、双向电流分流监视器。其具有单电源供电、零漂移、双向电流检测等优点。

　　对蓄电池充电部分的电流监测进行正向充电电流监测，将INA282的REF1、REF2引脚直接接地处理，单向电流监测电路图如图3所示。在蓄电池与负载端，为保证电池续航时间并保证电量充足需要分别监测流入流出蓄电池的电流大小，使用双向电流监测功能。双向电流检测电路图如图4所示。

　　2.3系统供电单元

　　系统所使用的电能全部由蓄电池储存的太阳能提供，因此合适高效的降压供电单元以减少电能损耗，保证整个系统无需外部电力补充的续航能力。本系统使用上海芯龙半导体公司设计生产的XL6019［5］电源芯片。芯片应用电路如图5所示。

　　2.4土壤温湿度传感器信号处理单元

　　使用基于频域反射(Frequency Domain Reflectometry，FDR)原理的土壤湿度传感器采集土壤湿度，通过电磁波在不同介质中反射频率的不同测定土壤介电常数，进而测量含水量［6］。温度采集功能集成于传感器中，传感器将湿度和温度信号分别转换为0~2 V电压信号。将传感器信号通过低通滤波电路接入微控制器A/D转换器即可通过计算得出土壤温湿度。信号处理硬件滤波采用电路结构简单的RC低通滤波器设计，-3 dB截止频率为15.9 Hz。传感器信号采集滤波电路如图6所示。

　　2.5继电器控制单元

　　MSP430微控制器通过输出高低电平控制继电器的通断从而控制补水、补光过程。使用NXP公司生产的P2501光电耦合器实现电器隔离，保证用电安全。NPN三极管起到开关及扩流作用。继电器串联在电源与三极管集电极之间，继电器断开时线圈内储存的能量由与继电器反向并联的二极管泄放。继电器控制单元电路图如图7所示。

　　2.6OLED显示单元

　　本系统需要显示较多数据，因此选用低功耗、高亮度、高分辨率的OLED128×64显示屏实现显示功能［7］。OLED使用SSD1306驱动芯片，支持四线串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)通信方式，能在满足显示数据多的情况下使用较少的微控制器I/O资源，同时满足系统低功耗的要求。显示屏与微处理器SPI通信连接图如图8所示。

3软件设计

　　3.1土壤温湿度采集及补水流程

　　土壤温湿度是植株生长最基本的生存条件，同时也是本设计中最重要的数据。对传感器采集回的数据进行分析判断并进行补水补光是本设计的重点之一。综合复杂度和滤波效果最终选用中值滤波法对土壤温湿度数据进行处理。在不进行补水操作的情况下，每分钟采集6次数据，对数据进行冒泡排序，取中间两次数据的平均值作为有效数据。将该数据与设定土壤湿度阈值比较，当低于设定湿度后控制水泵进行补水处理。湿度检测及补水程序框图如图9所示。

       3.2主程序流程

　　由于MSP430微控制器内部没有实时时钟(Real Time Clock, RTC)外设模块［8］，因此为了不占用其他程序执行时间并尽可能降低功耗，本设计通过外接32.768 KHz晶振，并通过单片机内部分频后，产生滴答时钟信号作为定时器计数脉冲，将定时器设定为每经过一秒钟便进入一次定时器中断，处理中断程序。土壤温湿度采样部分也是基于该定时器中断进行判断和处理。主程序流程图如图10所示。

4测试结果

　　系统测试主要是对太阳能MPPT充电系统的测试。电池空载电压12.95 V，系统静态工作电流为27 mA，此时对应蓄电池恒压充电过程。MPPT充电点设置为14.7 V。当太阳能板带载电压高于15.4 V时开始为电池充电。此阶段随着太阳能板提供电流的增大，电流与电压均平缓上升。当电压增大到16.5 V时，达到恒压充电点。随着太阳能板电流的增大，电压不再增大，电流增速变快，如图11、图12所示。

　　太阳能板充电效率随着太阳能电流的增大呈上升趋势，效率在70%~80%之间，如图13所示。满足系统供电需求。实际测试显示，当电池充满电情况下可以正常运行120天。

5结论

　　由测试结果可知，本设计可在长时间无外加电源的情况下运转且工作性能稳定。太阳能供电效果良好，充电效率高，蓄电池存储电能能力强，能够满足系统在弱光或无光照条件下连续工作较长时间的要求，避免系统在连续阴雨天气因电量不足死机、关机的情况。

　　参考文献

　　［1］ CN3722, 具有太阳能电池最大功率点跟踪功能的5A多类型电池充电管理集成电路技术规格书 ［DB/OL］. (2016 01 xx)［2016 04 19］http://www.consonance  elec.com/pdf/技术说明书/DSC CN3722.pdf.

　　［2］ 黄培.独立光伏智能控制系统的设计［J］.电气应用,2015(6):96 100.

　　［3］ MSP430G2x53, MSP430G2x13 mixed signal microcontroller datasheet ［DB/OL］. (2012 08 xx)［2016 04 19］http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430g2553.pdf.

　　［4］ INA282, -14 V to +80V, Bi-Directional, High Accuracy, Low or High Side, Voltage Output Current Shunt Monitor datasheet ［DB/OL］. (2011 08 xx)［2016 04 19］http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina282.pdf.

　　［5］ XL6019, 220 KHz 60V 5A Switching Current Boost/Buck-Boost/Inverting DC/DC Converter datasheet ［DB/OL］. (2014 12 xx)［2016 04 19］http://www.xlsemi.com/datasheet/XL6019%20datasheetEnglish.pdf.

　　［6］ 田育民. 超薄显示屏OLED在陀螺经纬仪中的应用［J］. 电子技术应用, 2006, 32(3):139 141.

　　［7］ 李松涛, 周成虎, 尹清爽. 基于CC2530的无线土壤水分传感器节点设计［J］. 微型机与应用, 2015,34(20):21 24.

　　［8］ 盛庆华, 祝司伟, 卢昱丞. 基于微功耗技术的太阳能时码接收器设计［J］. 杭州电子科技大学学报（自然科学版）, 2015, 35(5):7 11.