绿色植物生长平台人机接口设计与开发开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景

自20世纪80年代起，中国传统农业开始谋求全新的发展方向，转向走高投入、高产出的发展道路，合理高效地利用资源实现粮食产量的增加。但是，为了实现农业产出的增加，高效有用的农药化肥不断更新换代，增产的同时进一步加剧了环境污染，大大浪费了资源，农业生态环境不断恶化。由于大部分农民缺乏对绿色安全食品的认识，缺乏环保意识，生态环境状况越来越差。农业设施基础相对较薄弱，缺乏有高技术含量的设备，农业发展面临着众多问题，亟待解决。

绿色植物生长平台，作为一种新型的微型植物工厂，采用实时监测、网络通信、智能控制、自动管理技术，实时采集、监测、处理植物生长过程中产生的数据信息等；采用人工led光源；采用水培方式，作物生长所需的营养成分可由土壤或营养液提供。绿色植物生长平台的设计为未来农业的信息化发展提供了有效的技术支撑；精确控制设施内光照、温度、湿度等要素，使植物生长在适宜的良好的环境中，可实现全年实时调整。可在智能植物灯中种植各种花卉、药材等，只需提前设定好植物生长参数。绿色植物生长平台的诞生，可提高空间资源利用率，节约资源，可减少对环境的污染。

2. 研究内容和预期目标

研究内容

1.设计并实现嵌入式主控最小系统；

2.设计wifi、蓝牙通信接口；

3. 研究的方法与步骤

研究方法

为了实现上述功能，初步确定如下方案：系统采用嵌入式设计方案，分为硬件电路设计和控制程序设计两大部分。硬件电路需要同时连接显示屏模块、时钟模块、网络模块等多个模块，选择功能强大的STM32F103，主控程序选用c语言编程，可在KEIL中仿真。网络模块选用Wi-Fi和蓝牙。使用Wi-Fi时需要路由器寻址。

图1 硬件结构图

研究方案

1. 主控模块

   方案一：采用ST公司的STM32F103作为主控制器。STM32采用ARM Cortex-M3内核，运行速度快，片上资源丰富，具有很多外围接口，可拓展性强，灵活性高，多用在工业控制领域。

   方案二：采用TI公司的TMS320F2812作为主控制器。DSP是专门为运算而生的芯片，它以运行速度快以及性能稳定可靠而被广泛应用于一些需要复杂运算的工程中，但是价格比较昂贵。

   方案三：采用ATMEL公司的AVR16。单片机价格便宜，但运行速度慢，难以进行复杂的运算。

   综上所述，选择方案一，价格适中，可操作性强，且现在许多项目都使用STM32。

2. 电源模块

   方案一：采用锂电池，质量体积轻便，使用寿命长，且充放电速度快，价格合适，适用于智能植物灯的供电。

   方案二：采用铅酸电池，使用普遍，耐摔且便于维修，价格低廉。但是质量体积大，使用寿命较短，不利于智能植物灯内部安装。

   综上所述，选择方案一。

3. 显示屏模块

   方案一：采用LCD显示屏，是液晶显示屏，耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远。

   方案二：采用LED显示屏，使用发光二极管做成的显示屏，耗电更少，但故障多。

   综上所述，采用方案一。

4. 网络通信模块

   方案一：采用Zigbee模块，具有低功耗、低成本、低速率、近距离的优点，可接入家庭物联网。但是手机不自带Zigbee，需要设计网关，传输数据存在较大时延。

   方案二：采用Wi-Fi模块，传输距离长，传输速率快，传输稳定，手机可以快速接收到植物灯发来的数据，及时进行调控，但是需要路由器进行寻址，且有人在家中是会占用网速。

   方案三：采用蓝牙模块，传输距离短。蓝牙技术发展相对成熟，且接收稳定。手机也是自带蓝牙。但是蓝牙技术的缺点就是它的传输数据量小。

   综上所述，可以采用方案二、方案三共同传输。当有人在家中时，可选用蓝牙；无人在家中选用Wi-Fi。

   具体步骤：

1. 为了使硬件电路能外连光控、温控等控制电路，系统主控板STM32采用有64个引脚的LQFP封装形式，方便更好的系统扩展。重要引脚介绍如下：

   NRST：该引脚是芯片复位引脚，当系统死机时，按下该引脚可以让程序从头运行。

   PC14、PC15：这两个引脚作为晶振引脚，通过外接8MHz片外晶振为系统提供运行时钟。

   PA0-PA7：端口A，PB0-PB7：端口B，PC0-PC7：端口C，PD0-PD7：端口D，均为8位双向I/O口，作为网络通信模块、传感器测控电路模块以及LCD显示屏模块的接入和输出口。

   BOOT0/BOOT1端口用于设置STM32的启动方式，当BOOT0为0时，启动模式为FLASH启动；当BOOT0为1且BOOT1为0时，启动模式为系统存储器，可用于串口下载；当BOOT0和BOOT1都为1时，启动模式为SRAM启动，用于代码调试。

2. LCD显示屏模块：采用TFTLCD模块，具有如下特点：16位真彩显示；自带触摸屏，可以用来控制输入；320*240的分辨率；显色性高；16位并行接口。

   为了实现触摸屏功能，选用控制芯片为XPT2046，以构成电阻式触摸屏。

3. 网络通信模块：由于植物灯需支持蓝牙和Wi-Fi联合远程传输，故选用元器件为HC-05和ESP8266。ESP8266有三个工作模式，分别为STA模式、AP模式、STA AP模式。在STA模式下模块通过本地路由接入Internet，此时手机可以通过Internet对设备进行远程控制。ESP8266各引脚说明如下表所示：

   表1 ESP8266各引脚说明

蓝牙模块HC-05采用主从模式，主控板上连接的蓝牙模块采用主模式，当手机蓝牙搜索到主控板上的蓝牙模块，便可以进行数据传输，HC-05各引脚说明如下表所示：

表2 HC-05各引脚说明

4. 参考文献

[1]杨其长,张成波.植物工厂系列谈(七)——植物工厂光照和温度调控[j].农村实用工程技术(温室园艺),2005(11):31-33.

[2]刘彤,贺宏伟,李尧,马建设.基于android平台的家庭植物工厂智能监控系统[j].农机化研究,2015,37(04):197-202.

[3]刘文科,杨其长.植物工厂led光源与光环境智能控制策略[j].照明工程学报,2014,25(04):6-8.

5. 计划与进度安排

1．2018-03-10~2018-03-19 查阅论文资料

2．2018-03-20~2018-03-25 撰写开题报告

3．2018-03-26~2018-04-02 方案设计与外文翻译