農(nóng)業(yè)與技術(shù) 農(nóng)業(yè)工程 基于 手機的植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計研究 張子華 李曉月 張林杰 魏冉明 張煜榮 王啟璠 馮凱祺 北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部 北京 北京亦莊數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施科技發(fā)展有限公司 北京 摘 要 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展 植物工廠作為設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新型種植模式 大幅提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量 但 本身在環(huán)境檢測和控制方面存在數(shù)據(jù)采集不完整 環(huán)境監(jiān)測響應(yīng)滯后等缺點 為了解決這些問題 本文以植物工 廠為研究對象 利用 下位機數(shù)據(jù)采集 環(huán)境控制技術(shù)和 手機端 開發(fā)技術(shù) 設(shè)計了一套植物 工廠多變量環(huán)控系統(tǒng) 實現(xiàn)對植物工廠多環(huán)境變量智能化管理 該系統(tǒng)可以通過手機 遠程檢測 濃度 有機物揮發(fā)物濃度 溫濕度 土壤濕度以及光照強度 并實現(xiàn)實時遠程環(huán)境調(diào)控植物工廠的環(huán)境參數(shù) 通過優(yōu)化 植物生長環(huán)境 實現(xiàn)農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn) 并提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益 關(guān)鍵詞 智慧農(nóng)業(yè) 植物工廠 多環(huán)境變量 物聯(lián)網(wǎng) 中圖分類號 文獻標識碼 收稿日期 基金項目 北京市教育委員會科研計劃項目 項目編號 北京工業(yè)大學(xué) 星火基金 重點計劃項目 項目編號 作者簡介 張子華 男 博士 講師 研究方向 綠色 低碳 可持續(xù)設(shè)計與制造 在傳統(tǒng)農(nóng)耕文明中 食物的生產(chǎn)依賴陽光 土 壤 然而 由于自然災(zāi)害因素的影響 食物生產(chǎn)往往 會受到極大的沖擊 尤其是城市地區(qū)的食品供應(yīng) 為 了應(yīng)對這一挑戰(zhàn) 植物工廠 的推廣應(yīng)用為糧食安 全提供了一條新出路 植物工廠使用大量先進技 術(shù) 不僅可以大幅度提升糧食蔬菜的產(chǎn)能 還可以 做到穩(wěn)定持續(xù) 的生產(chǎn) 植物工廠是對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的一種革新 植 物工廠的高效生產(chǎn)離不開溫度 濕度 二氧化碳濃度 等環(huán)境參數(shù) 的精準控制 在達到所設(shè)定的環(huán)控條 件后 植物工廠便能夠采用工廠化的生產(chǎn)方式進行輪 作式生產(chǎn) 但在此之前 在市面上還沒有完善的監(jiān)管 工具 大多數(shù)植物工廠需要額外耗費大量人力物力 為解決這些問題 本研究把單一的傳感器通過 開發(fā)板進行集成化操作 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)手段實 時檢測每個傳感器的環(huán)境變量變動 實現(xiàn)更高效的環(huán) 境變量監(jiān)測和提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益 對于植物工廠環(huán)境變量參數(shù)監(jiān)測 南京大學(xué)的趙 云霞 教授指出 我國在植物工廠的植物栽培技術(shù) 方面已經(jīng)非常成熟 無土栽培 水培等技術(shù)已經(jīng)完全 應(yīng)用 但我國植物工廠卻面臨自動化 智能化程度 低 對外界環(huán)境控制有限 植物工廠技術(shù)體系尚不完 善等問題 這一系列未解決的問題有待于植物工廠多 環(huán)境變量智能監(jiān)測平臺的研究 等 研究了一套經(jīng)濟靈活的微型植物工廠 以適應(yīng)城市地區(qū)環(huán)境 其傳感器和執(zhí)行器與 系統(tǒng)集成 用于監(jiān)測和控制 并可自主執(zhí)行數(shù) 據(jù)檢索和驅(qū)動 通過每 自動捕 獲監(jiān)測數(shù)據(jù)進行操作 等 則是針對植物工 廠中的照明系統(tǒng)開發(fā)出 可移動向下照明結(jié)合補光可 調(diào)側(cè)式照明系統(tǒng) 和無補光側(cè)式照明系統(tǒng) 等 等在植物工廠中采用了立體攝 像機并且基于深度感知實現(xiàn)了植物生長監(jiān)測 蘇州大 學(xué)的管理 基于 平臺建立了植物生長環(huán)境 檢測系統(tǒng) 該系統(tǒng)對于提高單位面積的耕地作物產(chǎn) 物 實行立體式的種植以及利用家庭庭院 室內(nèi)種植 等具有重要指導(dǎo)意義 來自浙江大學(xué)的余洋 搭建 了植物工廠系統(tǒng)作為實驗平臺 使用樹莓派作為主控 制器 搭載多型傳感器 實現(xiàn)了對植物工廠環(huán)境的全 面監(jiān)測 并通過 驅(qū)動信號實現(xiàn)了對多個設(shè)備的 自動調(diào)控 同時開發(fā)了上位機軟件系統(tǒng) 可實時監(jiān)測 環(huán)境參數(shù)的變化 發(fā)送異常數(shù)據(jù)提示短信 查詢歷史 數(shù)據(jù)或調(diào)整控制參數(shù) 綜上所述 本文旨在開發(fā)基于微控制器的環(huán)境監(jiān) 測與控制系統(tǒng) 其中包括下位機和上位機 部分 下 位機是 數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制技術(shù) 上位機則 農(nóng)業(yè)工程 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 是基于 開發(fā)的 移動端 用于接收下 位機發(fā)送的環(huán)境參數(shù)并以折線圖形式展示 同時 上 位機還能向下位機發(fā)送遠程控制指令 實現(xiàn)對植物工 廠環(huán)境的精確控制 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計 本系統(tǒng)總體分為下位機和上位機 個部分 下位機數(shù)據(jù)采集模塊由通訊模塊 開發(fā) 板 多路環(huán)境變量傳感器等模塊構(gòu)成 上位機客戶端 是基于 語言開發(fā)的 在該系統(tǒng)中 環(huán)境變量傳感器用于監(jiān)測 種環(huán)境參數(shù) 并通過模擬 信號的形式傳輸至 開發(fā)板 開發(fā)板負 責對接收到的模擬信號進行解析和處理 并借助通訊 模塊將經(jīng)過處理的模擬數(shù)值以無線信號的方式發(fā)送至 上位機 基于 開發(fā)的 客戶端實現(xiàn)了數(shù)據(jù) 的接收 處理 實時顯示 控制和存儲等功能 通過 后臺邏輯設(shè)計 手機客戶端 以簡潔的操作界面 形式呈現(xiàn)給管理者 用戶只需安裝控制軟件并登錄系 統(tǒng) 即可對植物工廠內(nèi)的環(huán)境變量參數(shù)進行智能監(jiān)管 和控制 圖 植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)總體設(shè)計 分模塊功能設(shè)計 本研究旨在利用智能測控技術(shù) 實現(xiàn)對植物工廠 內(nèi)多個環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和調(diào)節(jié) 系統(tǒng)功能設(shè)計如下 下位機 模塊系統(tǒng)設(shè)計 下位機 模塊系統(tǒng)主要包括 個功能部分 接收傳感器采集和發(fā)送的環(huán)境變量數(shù)據(jù)部分 以及控 制植物工廠通風系統(tǒng) 補光系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的部分 具體架構(gòu)如圖 所示 在實現(xiàn)系統(tǒng)功能時 導(dǎo)入傳感 器的庫函數(shù) 調(diào)用庫函數(shù) 經(jīng)過對傳感器以及 模塊的初始化送數(shù)據(jù)的函數(shù) 將數(shù)據(jù)以字符串數(shù)組的 形式向上位機發(fā)送 在設(shè)計控制功能時 通過 模塊接收和解碼下位機所發(fā)送的數(shù)據(jù) 通過函數(shù)轉(zhuǎn)換 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電信號 對 燈以及風機模塊 的舵機進行控制 實現(xiàn)植物工廠對多變量環(huán)控系統(tǒng)中 控制功能要求 圖 下位機系統(tǒng)架構(gòu) 上位機 客戶端 模塊設(shè)計 上位機部分主要對控制模塊 顯示模塊 設(shè)置模 塊 數(shù)據(jù)庫進行界面設(shè)計與開發(fā) 具體功能框架如圖 所示 本系統(tǒng)在手機 進行多環(huán)境變量數(shù)據(jù)的實 時更新與曲線化展示 方便植物工廠管理者實時監(jiān)測 工廠內(nèi)各項變量參數(shù) 從而進行相應(yīng)操作 對植物工 廠進行精準把控 滿足實際需求 圖 手機客戶端框架圖 多變量環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計 在植物工廠多變量環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計中 使用 多種傳感器 控制模塊和通信模塊 實現(xiàn)對植物工廠 多個環(huán)境變量參數(shù)的采集 控制以及與 上位 機之間的數(shù)據(jù)交互 控制中心 是一款便捷靈活的開源電子原型平臺 具有用戶范圍廣 可移植性高 安全性強 免費開源 等特點 包含硬件 各種型號的 板 和軟件 個部分 硬件部分是可以用來做電 路連接的 電路板 軟件部分是 軟 件開發(fā)測試平臺 即計算機中的程序開發(fā)環(huán)境 能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境 再通過 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 農(nóng)業(yè)工程 控制其他的裝置來反饋 影響環(huán)境 開發(fā)板 上的微控制器可以通過 的編程語言來編寫程 序 編譯成二進制文件 燒錄進微控制器 實現(xiàn)對傳 感器的數(shù)據(jù)采集以及其他裝置的反饋控制 本系統(tǒng)采用 開發(fā)板 如圖 所 示 其基于 處理器 采用 接口 具 有 路模擬輸入和 路數(shù)字輸入 輸出口 可以自動選擇 種供電方式 外部直流電 源通過電源插座供電 電池連接電源連接器的 和 引腳 接口直流供電 開發(fā)板具有 路 接口 個 晶體振蕩 器 個 口 個電源插座 個 和 個復(fù)位按鈕 具有支持 個主控板的所有資源 具體規(guī)格參數(shù) 工作電壓 輸入電壓范圍 推薦輸入電壓范圍 口的輸出 電流 管腳的輸出電流 內(nèi)存空 間 時鐘頻 率 圖 開發(fā)板 環(huán)境變量監(jiān)測模塊 植物生長環(huán)境中的環(huán)境變量參數(shù)會影響植物的生 長 在植物工廠中主要對植物生長環(huán)境中的 濃 度 有機物揮發(fā)物濃度 溫濕度 土壤濕度以及光照強 度進行監(jiān)測 本系統(tǒng)使用 開發(fā)板連接 傳 感器 數(shù)字傳感器 土壤濕度傳感器和數(shù)字光 照傳感器 以實現(xiàn)對環(huán)境變量的監(jiān)測功能 傳感器是一款金屬氧化物氣體傳感器 內(nèi) 置了 個氣體傳感元件 該傳感器具備完全校準的空 氣質(zhì)量輸出信號功能 如圖 所示 的傳感部 分基于金屬氧化物納米顆粒的加熱膜 目標氣體會與 金屬氧化物顆粒上吸附的氧氣發(fā)生反應(yīng) 從而釋放出 電子 導(dǎo)致由傳感器測量的金屬氧化物層的電阻發(fā)生 改變 通過電路部分對電阻進行檢測 信號處理與轉(zhuǎn)換 可以輸出 有機物揮發(fā)物濃度 量程為 濃度 量程為 因此該傳感器可以 用于本系統(tǒng)進行 濃度與有機物揮發(fā)物濃度監(jiān)測 數(shù)字傳感器是一款采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫 濕度傳感技術(shù)的溫濕度復(fù)合傳感器 如圖 所示 該 傳感器包括 個電阻式測濕元件和 個電阻式熱敏測 溫元件 精度高 具有已校準的數(shù)字輸出信號 在本 系統(tǒng)中 利用 數(shù)字傳感器來檢測環(huán)境的溫度和 濕度 該傳感器的測量范圍為濕度 和溫 度 具有較高的分辨率 即濕度 和溫度 此外 傳感器的精度也相對較高 濕度精度為 溫度精度為 土壤濕度傳感器是根據(jù)土壤 水分含量與土壤電阻值之間的關(guān)系進行設(shè)計的 如圖 所示 可以寬范圍監(jiān)測土壤的濕度 測量范圍為自 定義的 通過電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閾值 濕度低于設(shè)定值時 傳感器輸出高電平 高于設(shè)定值 時 傳感器輸出低電平 數(shù)字光照傳感器是基于半導(dǎo) 體的光電效應(yīng)原理設(shè)計的 集成了數(shù)字環(huán)境光傳感器 電路的 總線接口 如圖 所示 此外 其光譜響 應(yīng)接近視覺靈敏度的分光特性 具有明顯的紅外抑制 作用 適合于獲取環(huán)境光數(shù)據(jù) 在高分辨率 范圍 下檢測光照強度 調(diào)控系統(tǒng) 圖 傳感器 圖 數(shù)字傳感器 農(nóng)業(yè)工程 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 圖 土壤濕度傳感器 圖 數(shù)字光照傳感器 環(huán)境變量控制模塊 環(huán)境變量控制模塊包含通風系統(tǒng) 補光系統(tǒng)和照 明系統(tǒng) 個部分 通風系統(tǒng)通過搭載風機模塊來實 現(xiàn) 模塊如圖 所示 植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)啟動 運行后風機模塊一直處于通電狀態(tài)下 通過閉環(huán)控制 實現(xiàn)對植物工廠中 與有機物揮發(fā)物濃度的動態(tài)控 制 當 濃度或有機物揮發(fā)物濃度超過設(shè)定標準 時 系統(tǒng)產(chǎn)生脈寬 生成方波控制風扇電機轉(zhuǎn)動 當 濃度與有機物揮發(fā)物濃度均下降到標準值以下后 風扇轉(zhuǎn)動停止 補光系統(tǒng)是通過 脈寬調(diào)制控制 燈的亮度的方式實現(xiàn) 以閉環(huán)控制的方式使植物 工廠中的光照強度保持在 左右 模塊如圖 所示 照明系統(tǒng)則能夠?qū)崿F(xiàn)植物工廠照明需求 模塊 如圖 所示 圖 通風系統(tǒng)模塊 圖 補光系統(tǒng)模塊 圖 照明系統(tǒng)模塊 通訊模塊 由于 開發(fā)板不具備無線通訊功能 為實 現(xiàn)本系統(tǒng)植物工廠的上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)連接 傳輸 本系統(tǒng)選用 模塊作為通信模塊 如圖 所示 采用局域網(wǎng)下的 通信方式進行通 信 并通過 開發(fā)板進行驅(qū)動 傳輸協(xié)議采用 協(xié)議 實現(xiàn)端對端的數(shù)據(jù)傳輸 傳輸數(shù)據(jù)時 通過超時重發(fā) 失序處理 重復(fù)處理和數(shù)據(jù)校驗等方 式確保植物工廠系統(tǒng)下位機所采集到的數(shù)據(jù)無差錯 不丟失 不重復(fù) 且按序發(fā)送給上位機 具有可靠性 強的優(yōu)點 模塊通過 指令進行初始 化 進行數(shù)據(jù)傳輸時通過 指令可建立 個 服務(wù)器 且使之能連接多個 客戶端 通 過將 指令交給單片機進行硬件串口編寫 可在通 電后自動創(chuàng)建 個 熱點 并將下位機采集到的 環(huán)境變量數(shù)據(jù)以字符串數(shù)組的形式發(fā)送給上位機 圖 模塊 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā) 多變量環(huán)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示模塊開發(fā) 植物工廠的多變量環(huán)控系統(tǒng)的顯示模塊包括 個 部分 多環(huán)境變量實時顯示模塊和變量曲線顯示模 塊 本系統(tǒng)加入變量曲線顯示模塊 將各變量參數(shù)進 行曲線化展示 能夠使系統(tǒng)管理者更加直觀地監(jiān)管 調(diào)控系統(tǒng) 管理者需打開手機客戶端 植物工廠智能調(diào)控 點擊如圖 所示的跳轉(zhuǎn)界面 將根據(jù)后 端預(yù)設(shè)端口號與下位機 地址嘗試 連接 從 而完成與下位機的通信連接 為實現(xiàn)植物工廠多變量 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 農(nóng)業(yè)工程 環(huán)控系統(tǒng)與下位機的通信連接成功 管理者需要保證 上位機客戶端 熱點與下位機處于同一局 域網(wǎng) 圖 手機 系統(tǒng)界面 當本系統(tǒng)與下位機成功建立通信 多環(huán)境變量顯 示模塊將對由下位機發(fā)送的各環(huán)境變量數(shù)據(jù)進行處理 并實時更新顯示 在如圖 所示的顯示界面中 個顯示框分別用于實時更新顯示溫度 濕度 濃度 濃度 土壤濕度和光照強度等變量參數(shù) 當 個顯示框分別顯示對應(yīng)變量數(shù)據(jù) 在顯示界 面任意點擊一個變量數(shù)據(jù) 本系統(tǒng)將對這一環(huán)境變量 參數(shù)進行曲線化展示 并實時更新 如圖 所示 其中 不同環(huán)境變量參數(shù)分別以不同顏色線條展示以 便進行區(qū)分 便于管理者更加直觀地了解植物環(huán)境變 量參數(shù)的變化 以便管理者對植物工廠的各項環(huán)境參 數(shù)進行分析 從而進行相應(yīng)的精準調(diào)控 圖 通訊連接裝置 如圖 所示 當手機客戶端系統(tǒng)與下位機通信 連接建立失敗 操控者需打開如圖 所示 設(shè)置 界面 確認端口號和 地址是否與下位機保持一致 若不一致 操控者可以對端口號與 地址進行編輯 點擊 連接按鈕 即可實現(xiàn)手動連接 因此 本系統(tǒng) 能夠保證上位機的適配性與容錯性 多變量環(huán)控系統(tǒng)控制模塊設(shè)計 植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)控制模塊設(shè)計囊括植物 工廠通風系統(tǒng) 植物工廠照明系統(tǒng)以及植物工廠補光 系統(tǒng) 部分 圖 控制界面 各控制系統(tǒng)如圖 所示 在植物工廠環(huán)境 濃 度過高時 操控者可借植物工廠通風系統(tǒng)控制舵機的 啟動與停止對環(huán)境中 濃度進行調(diào)控 當植物工廠 中光照強度不足時 管理者可在手機端 提高植 物工廠補光系統(tǒng)的光照強度對植物進行多級補光 保 證植物在最適宜光照條件下茁壯成長 多變量環(huán)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計 植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)存儲功能 采用輕量級 數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn) 本系統(tǒng)將從下位機 收集到的 路變量參數(shù)存入 數(shù)據(jù)庫中 以便進 行數(shù)據(jù)分析并提出相應(yīng)改良方案 數(shù)據(jù)庫是 內(nèi)置數(shù)據(jù)庫 遵循 關(guān)系 事務(wù) 具備 持久性 原子性 隔離性 一致性 并且處理速度 快 占用資源比重低 數(shù)據(jù)庫界面如圖 所示 圖 手機客戶端數(shù)據(jù)存儲 農(nóng)業(yè)工程 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 總結(jié) 本文結(jié)合 的下位機多環(huán)境變量參數(shù)采集 系統(tǒng)及環(huán)境變量控制系統(tǒng)和 開發(fā)的上位機多 環(huán)境變量數(shù)據(jù)監(jiān)測及遠程環(huán)境調(diào)控系統(tǒng) 基于 模塊的無線通信技術(shù) 實現(xiàn)對植物工廠 內(nèi)多環(huán)境變量數(shù)據(jù)監(jiān)測 智能調(diào)控的功能 所應(yīng)用的 數(shù)字技術(shù)將加速設(shè)施農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域各環(huán)節(jié)的數(shù)字化改 造 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率 提高植物產(chǎn)能 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的 精準種植 機械化管理 為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供智 能決策方案 為后續(xù)植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)的研究 提供一定的參考 參考文獻 汪銳 楊豫森 王琮 等 植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 照明 工程學(xué)報 李清明 仝宇欣 楊曉 等 國內(nèi)外植物工廠研究進展與發(fā)展 趨勢 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 劉鎧哲 劉厚誠 植物工廠快速育種技術(shù)研究進展 農(nóng)業(yè) 工程技術(shù) 陳漢群 面向植物工廠的環(huán)境調(diào)控規(guī)則推理技術(shù)應(yīng)用研究 杭州 浙江大學(xué) 徐少承 嵌入式植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā) 廣 州 華南理工大學(xué) 劉水麗 人工光源在閉鎖式植物工廠中的應(yīng)用研究 北 京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 孫程 基于移動機器人的植物工廠小區(qū)域中部分植物病害識 別與檢測的關(guān)鍵技術(shù)研究 杭州 浙江科技學(xué)院 許志雄 基于物聯(lián)網(wǎng)和機器視覺技術(shù)的水耕種植智能化工廠 設(shè)計 武漢 武漢大學(xué) 趙云霞 幾種代表植物工廠化栽培技術(shù)研究 南京 南 京大學(xué) 管理 平臺在植物生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用 電子世界 余洋 智能植物工廠控制系統(tǒng)研究與優(yōu)化 杭州 浙江 大學(xué) 責任編輯 賈燦