空间植物培养装置控制系统设计

王 静，李得天，王长胜，高 波，周 颖

(兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000)

0 引言

空间植物培养装置原理样机是一套半密闭的装置，可以在中短周期、无人照料的情况下给植物的生长提供必需的条件。该培养装置主要包括:植物生长模块、温度控制模块、相对湿度控制模块、气体控制模块、LED光照模块、图像采集照相模块和电控单元模块。植物生长室内的各种传感器实时监测生长室内的温度、相对湿度、气体成分、栽培基质的含水率以及光照强度，根据植物在不同的生长阶段，对各模块进行控制，以获得适合植物生长的环境条件。空间植物培养装置原理样机实物如图1所示。

图1 空间植物培养装置原理样机

在正常工作状态下，空间植物培养装置可以在植物(拟南芥)的生长全周期过程中，按照上位机软件设定的工作参数自动控制植物培养装置内的温度、相对湿度和植物培养基质含水量，提供合适的光照强度和时间，定时采集图像信息，具有气体交换能力，实现冷凝过程中水气分离、上位机用户交互、CO2气体控制、去乙烯气体控制等，调节箱内植物生长环境，完成对空间植物培养装置内部植物生长环境条件的控制及显示等。

1 硬件设计

空间植物培养装置目标是完成可以在植物(拟南芥)的生长全周期过程中，全自动控制植物培养装置内的各种参数。控制单元是空间植物培养装置的核心组成部分，空间植物培养装置的电控原理图如图2所示，考虑到需要较多的AD转换以及多个I/O端口，CPU选用高速数字信号处理器TMS320F240［1-5］。在空间植物培养装置中，既有模拟采集输入量还有数字采集输入量，其中温度、相对湿度传感器为数字量，植物培养基质含水量、乙烯含量、CO2含量、光照度含量等为电压模拟量。模拟量经过DSP芯片内的多路开关的选通进入AD转换器进行AD采集。

图2 电控原理图

在空间植物培养装置中，采用大功率半导体制冷片用于升温/降温、除湿/增湿控制。用继电器隔离模块提高系统的抗干扰能力和驱动能力。基质含水量是通过CPU的I/O口驱动泵驱动器，从而进一步控制供水蠕动泵电机的转动速度、圈数来实现的。用于CO2气体控制的质量流量计用RS485总线通信控制，液晶显示屏也由RS485通信，由于处理器没有多余通信口，因此采用多级通信联接方式。

电控单元电路通过RS-232接口与主控计算机通信。电控单元接收由主控计算机发送的控制指令，根据指令解析温度、相对湿度等控制要求，与当前采集值进行对比，驱动相应控制输出电路;同时由下位机定时向主控计算机实时回送当前状态信息。

2 软件设计

2.1 下位机主控软件

下位机主控软件对各种传感器实时监测，对上位机软件发送的指令进行解析，根据指令进行各种阀的开关、电动机启停、LED灯的通断以及半导体片的开关等。

主循环控制软件流程图如图3所示，在主循环中，首先进行初始化操作，然后每隔5秒对上位机发送一次当前状态监测值，同时对中断接收到的上位机指令进行解析，根据上位机指令对控制单元进行操作。

图3 主循环控制软件流程图

温控子程序流程图如图4所示，与湿控程序类似。温湿度采用半导体制冷片控制，半导体制冷片工作电压是直流24V，功率较大，并有换向时间要大于3分钟的要求;温湿度的控制是一个大滞后、强耦合系统的控制系统［6］，设计温湿控原理如下:

(1)由DSP芯片的GPIO口驱动MOSFET管控制直流5V继电器;

(2)由直流5V继电器控制大功率交流220V继电器电源通断;

(3)由交流220V交流继电器控制直流24V半导体制冷片的电源通断;

(4)在电路中设计互锁功能，即加热与制冷不能同时通电;

(5)在软件计时中断中设置计时器，并设置换向时间大于3分钟的换向标志，当标志满足条件时才能进行换向，小于3分钟时不能进行换向。

解析上位机指令子程序流程图如图5所示，当下位机接收到由上位机发来的控制命令触发外部中断时，进入中断处理子程序，同时解析上位机的控制指令，判断上位机指令是否合理，如合理进入对应处理子程序。

图4 温控子程序软件流程图

图5 解析上位机指令子程序流程图

2.2 上位机主控软件

上位机控制软件界面如图6所示，主控计算机软件主要完成以下功能:

(1)当前温度、湿度、CO2含量、光子量的实时显示，对下位机通过RS232串口定时发送来的数据进行解析，得到当前采集量，进行实时显示;同时对测量状态信息在后台自动保存。

(2)控制命令输入及显示:由控制界面输入需要设置的温度、湿度、CO2含量，通过RS232串口发送到下位机，由下位机接收解析后执行相应动作，形成闭环控制。

上位机控制方式有2种方式:

(1)自动控制方式，在自动控制方式下，上位机不干预空间植物培养装置的控制过程，由空间植物培养装置内部下位机依据下位机控制软件自动监测空间植物培养装置内气体、温度等含量，同时控制风扇、蠕动泵、显示屏等进行相应动作。

(2)上位机软件控制方式，在此方式下，上位机软件实时显示当前传感器测量值，用户可以在上位机输入湿度、温度、CO2含量等控制量，由上位机发送控制指令给下位机，下位机解析控制指令，同时根据指令执行相应控制动作，打开关闭风机、泵以及半导体片等。

上位机软件界面灵活、友好，测试数据自动显示，测试状态通过视窗进行设置，用VC++编写［7-8］。

图6 空间植物培养装置上位机控制软件界面

2.3 液晶显示软件

在空间植物培养装置箱体外部安装LJD-eWin4L嵌入式ARM7触控屏［9］，可以实时观测到箱体内的采集值，触控屏电源输入范围:9V～28V;预装Windows CE 5.0CORE操作系统;可以通过开关方便切换系统和用户程序;提供功能完整的SDK代码包和API函数［10］。

硬件通过TMS320F240外加RS-485控制芯片［11］与显示组件通信［12-13］，软件用 EVC开发，开发环境VS2005，界面如图7所示。

图7 显示屏软件界面

3 实验

选用拟南芥作为实验植物，在如图6所示的上位机软件控制界面输入控制要求指标，从拟南芥种子播种，连续运行，一直到最终开花产籽，覆盖植物生长全生命周期，分析后台产生的数据记录文件，可以看出，温度控制精度在±1℃;相对湿度控制精度在±10%;植物培养基质含水量在低于设定值时能通过蠕动泵自动加水;CO2含量在低于设定值时能通过质量流量计自动添加;模拟白天夜晚LED灯能自动切换;乙烯含量较高时，自动打开紫外灯进行乙烯去除;选用半导体加热片控制箱内温湿度，较好地实现了冷凝水回收;每隔12小时分2个角度对植物进行拍照，全过程自动记录植物生长过程。实验表明，空间植物培养装置控制系统完全能满足植物生长的需求，控制精度能达到植物生长要求。

4 结束语

本文研制的空间植物培养装置控制系统，可以闭环控制装置内温度、相对湿度、CO2含量、乙烯含量、基质水分，提供合适的光照强度和时间，可按时采集保存图像信息。实验表明，该控制系统效果较好，控制参数波动均在植物生长需求范围之内，控制精度能满足植物生长要求。

［1］张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用［M］.北京:电子工业出版社，1997.

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［3］Texas Instruments.TMS320F/C24x DSP Contollers Peripheral Library and Specific Devices Reference Guide［Z］.1999.

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