農業與技術 農業工程 基于 手機的植物工廠多變量環控系統設計研究 張子華 李曉月 張林杰 魏冉明 張煜榮 王啟璠 馮凱祺 北京工業大學材料與制造學部 北京 北京亦莊數字基礎設施科技發展有限公司 北京 摘 要 隨著物聯網技術飛速發展 植物工廠作為設施農業領域的新型種植模式 大幅提高了農作物的產量 但 本身在環境檢測和控制方面存在數據采集不完整 環境監測響應滯后等缺點 為了解決這些問題 本文以植物工 廠為研究對象 利用 下位機數據采集 環境控制技術和 手機端 開發技術 設計了一套植物 工廠多變量環控系統 實現對植物工廠多環境變量智能化管理 該系統可以通過手機 遠程檢測 濃度 有機物揮發物濃度 溫濕度 土壤濕度以及光照強度 并實現實時遠程環境調控植物工廠的環境參數 通過優化 植物生長環境 實現農作物的優質高產 并提升農業經濟效益 關鍵詞 智慧農業 植物工廠 多環境變量 物聯網 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 北京工業大學 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 可持續設計與制造 在傳統農耕文明中 食物的生產依賴陽光 土 壤 然而 由于自然災害因素的影響 食物生產往往 會受到極大的沖擊 尤其是城市地區的食品供應 為 了應對這一挑戰 植物工廠 的推廣應用為糧食安 全提供了一條新出路 植物工廠使用大量先進技 術 不僅可以大幅度提升糧食蔬菜的產能 還可以 做到穩定持續 的生產 植物工廠是對傳統農業生產方式的一種革新 植 物工廠的高效生產離不開溫度 濕度 二氧化碳濃度 等環境參數 的精準控制 在達到所設定的環控條 件后 植物工廠便能夠采用工廠化的生產方式進行輪 作式生產 但在此之前 在市面上還沒有完善的監管 工具 大多數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 開發板進行集成化操作 應用物聯網 技術手段實 時檢測每個傳感器的環境變量變動 實現更高效的環 境變量監測和提升農業經濟效益 對于植物工廠環境變量參數監測 南京大學的趙 云霞 教授指出 我國在植物工廠的植物栽培技術 方面已經非常成熟 無土栽培 水培等技術已經完全 應用 但我國植物工廠卻面臨自動化 智能化程度 低 對外界環境控制有限 植物工廠技術體系尚不完 善等問題 這一系列未解決的問題有待于植物工廠多 環境變量智能監測平臺的研究 等 研究了一套經濟靈活的微型植物工廠 以適應城市地區環境 其傳感器和執行器與 系統集成 用于監測和控制 并可自主執行數 據檢索和驅動 通過每 自動捕 獲監測數據進行操作 等 則是針對植物工 廠中的照明系統開發出 可移動向下照明結合補光可 調側式照明系統 和無補光側式照明系統 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了植物生長監測 蘇州大 學的管理 基于 平臺建立了植物生長環境 檢測系統 該系統對于提高單位面積的耕地作物產 物 實行立體式的種植以及利用家庭庭院 室內種植 等具有重要指導意義 來自浙江大學的余洋 搭建 了植物工廠系統作為實驗平臺 使用樹莓派作為主控 制器 搭載多型傳感器 實現了對植物工廠環境的全 面監測 并通過 驅動信號實現了對多個設備的 自動調控 同時開發了上位機軟件系統 可實時監測 環境參數的變化 發送異常數據提示短信 查詢歷史 數據或調整控制參數 綜上所述 本文旨在開發基于微控制器的環境監 測與控制系統 其中包括下位機和上位機 部分 下 位機是 數據采集和環境控制技術 上位機則 農業工程 農業與技術 是基于 開發的 移動端 用于接收下 位機發送的環境參數并以折線圖形式展示 同時 上 位機還能向下位機發送遠程控制指令 實現對植物工 廠環境的精確控制 系統設計 系統總體架構設計 本系統總體分為下位機和上位機 個部分 下位機數據采集模塊由通訊模塊 開發 板 多路環境變量傳感器等模塊構成 上位機客戶端 是基于 語言開發的 在該系統中 環境變量傳感器用于監測 種環境參數 并通過模擬 信號的形式傳輸至 開發板 開發板負 責對接收到的模擬信號進行解析和處理 并借助通訊 模塊將經過處理的模擬數值以無線信號的方式發送至 上位機 基于 開發的 客戶端實現了數據 的接收 處理 實時顯示 控制和存儲等功能 通過 后臺邏輯設計 手機客戶端 以簡潔的操作界面 形式呈現給管理者 用戶只需安裝控制軟件并登錄系 統 即可對植物工廠內的環境變量參數進行智能監管 和控制 圖 植物工廠多變量環控系統總體設計 分模塊功能設計 本研究旨在利用智能測控技術 實現對植物工廠 內多個環境參數的監測和調節 系統功能設計如下 下位機 模塊系統設計 下位機 模塊系統主要包括 個功能部分 接收傳感器采集和發送的環境變量數據部分 以及控 制植物工廠通風系統 補光系統和照明系統的部分 具體架構如圖 所示 在實現系統功能時 導入傳感 器的庫函數 調用庫函數 經過對傳感器以及 模塊的初始化送數據的函數 將數據以字符串數組的 形式向上位機發送 在設計控制功能時 通過 模塊接收和解碼下位機所發送的數據 通過函數轉換 將數字信號轉換成電信號 對 燈以及風機模塊 的舵機進行控制 實現植物工廠對多變量環控系統中 控制功能要求 圖 下位機系統架構 上位機 客戶端 模塊設計 上位機部分主要對控制模塊 顯示模塊 設置模 塊 數據庫進行界面設計與開發 具體功能框架如圖 所示 本系統在手機 進行多環境變量數據的實 時更新與曲線化展示 方便植物工廠管理者實時監測 工廠內各項變量參數 從而進行相應操作 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 多變量環控系統設計 在植物工廠多變量環境控制系統的設計中 使用 多種傳感器 控制模塊和通信模塊 實現對植物工廠 多個環境變量參數的采集 控制以及與 上位 機之間的數據交互 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 件開發測試平臺 即計算機中的程序開發環境 能通過各種各樣的傳感器來感知環境 再通過 農業與技術 農業工程 控制其他的裝置來反饋 影響環境 開發板 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 實現對傳 感器的數據采集以及其他裝置的反饋控制 本系統采用 開發板 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 開發板具有 路 接口 個 晶體振蕩 器 個 口 個電源插座 個 和 個復位按鈕 具有支持 個主控板的所有資源 具體規格參數 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 內存空 間 時鐘頻 率 圖 開發板 環境變量監測模塊 植物生長環境中的環境變量參數會影響植物的生 長 在植物工廠中主要對植物生長環境中的 濃 度 有機物揮發物濃度 溫濕度 土壤濕度以及光照強 度進行監測 本系統使用 開發板連接 傳 感器 數字傳感器 土壤濕度傳感器和數字光 照傳感器 以實現對環境變量的監測功能 傳感器是一款金屬氧化物氣體傳感器 內 置了 個氣體傳感元件 該傳感器具備完全校準的空 氣質量輸出信號功能 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生反應 從而釋放出 電子 導致由傳感器測量的金屬氧化物層的電阻發生 改變 通過電路部分對電阻進行檢測 信號處理與轉換 可以輸出 有機物揮發物濃度 量程為 濃度 量程為 因此該傳感器可以 用于本系統進行 濃度與有機物揮發物濃度監測 數字傳感器是一款采用數字模塊采集技術和溫 濕度傳感技術的溫濕度復合傳感器 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 具有已校準的數字輸出信號 在本 系統中 利用 數字傳感器來檢測環境的溫度和 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土壤 水分含量與土壤電阻值之間的關系進行設計的 如圖 所示 可以寬范圍監測土壤的濕度 測量范圍為自 定義的 通過電位器調節控制相應閾值 濕度低于設定值時 傳感器輸出高電平 高于設定值 時 傳感器輸出低電平 數字光照傳感器是基于半導 體的光電效應原理設計的 集成了數字環境光傳感器 電路的 總線接口 如圖 所示 此外 其光譜響 應接近視覺靈敏度的分光特性 具有明顯的紅外抑制 作用 適合于獲取環境光數據 在高分辨率 范圍 下檢測光照強度 調控系統 圖 傳感器 圖 數字傳感器 農業工程 農業與技術 圖 土壤濕度傳感器 圖 數字光照傳感器 環境變量控制模塊 環境變量控制模塊包含通風系統 補光系統和照 明系統 個部分 通風系統通過搭載風機模塊來實 現 模塊如圖 所示 植物工廠多變量環控系統啟動 運行后風機模塊一直處于通電狀態下 通過閉環控制 實現對植物工廠中 與有機物揮發物濃度的動態控 制 當 濃度或有機物揮發物濃度超過設定標準 時 系統產生脈寬 生成方波控制風扇電機轉動 當 濃度與有機物揮發物濃度均下降到標準值以下后 風扇轉動停止 補光系統是通過 脈寬調制控制 燈的亮度的方式實現 以閉環控制的方式使植物 工廠中的光照強度保持在 左右 模塊如圖 所示 照明系統則能夠實現植物工廠照明需求 模塊 如圖 所示 圖 通風系統模塊 圖 補光系統模塊 圖 照明系統模塊 通訊模塊 由于 開發板不具備無線通訊功能 為實 現本系統植物工廠的上位機與下位機之間的數據連接 傳輸 本系統選用 模塊作為通信模塊 如圖 所示 采用局域網下的 通信方式進行通 信 并通過 開發板進行驅動 傳輸協議采用 協議 實現端對端的數據傳輸 傳輸數據時 通過超時重發 失序處理 重復處理和數據校驗等方 式確保植物工廠系統下位機所采集到的數據無差錯 不丟失 不重復 且按序發送給上位機 具有可靠性 強的優點 模塊通過 指令進行初始 化 進行數據傳輸時通過 指令可建立 個 服務器 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 電后自動創建 個 熱點 并將下位機采集到的 環境變量數據以字符串數組的形式發送給上位機 圖 模塊 系統設計與開發 多變量環控系統數據顯示模塊開發 植物工廠的多變量環控系統的顯示模塊包括 個 部分 多環境變量實時顯示模塊和變量曲線顯示模 塊 本系統加入變量曲線顯示模塊 將各變量參數進 行曲線化展示 能夠使系統管理者更加直觀地監管 調控系統 管理者需打開手機客戶端 植物工廠智能調控 點擊如圖 所示的跳轉界面 將根據后 端預設端口號與下位機 地址嘗試 連接 從 而完成與下位機的通信連接 為實現植物工廠多變量 農業與技術 農業工程 環控系統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 圖 手機 系統界面 當本系統與下位機成功建立通信 多環境變量顯 示模塊將對由下位機發送的各環境變量數據進行處理 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 當 個顯示框分別顯示對應變量數據 在顯示界 面任意點擊一個變量數據 本系統將對這一環境變量 參數進行曲線化展示 并實時更新 如圖 所示 其中 不同環境變量參數分別以不同顏色線條展示以 便進行區分 便于管理者更加直觀地了解植物環境變 量參數的變化 以便管理者對植物工廠的各項環境參 數進行分析 從而進行相應的精準調控 圖 通訊連接裝置 如圖 所示 當手機客戶端系統與下位機通信 連接建立失敗 操控者需打開如圖 所示 設置 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 即可實現手動連接 因此 本系統 能夠保證上位機的適配性與容錯性 多變量環控系統控制模塊設計 植物工廠多變量環控系統控制模塊設計囊括植物 工廠通風系統 植物工廠照明系統以及植物工廠補光 系統 部分 圖 控制界面 各控制系統如圖 所示 在植物工廠環境 濃 度過高時 操控者可借植物工廠通風系統控制舵機的 啟動與停止對環境中 濃度進行調控 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 多變量環控系統數據庫設計 植物工廠多變量環控系統還具備數據存儲功能 采用輕量級 數據庫來實現 本系統將從下位機 收集到的 路變量參數存入 數據庫中 以便進 行數據分析并提出相應改良方案 數據庫是 內置數據庫 遵循 關系 事務 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 數據庫界面如圖 所示 圖 手機客戶端數據存儲 農業工程 農業與技術 總結 本文結合 的下位機多環境變量參數采集 系統及環境變量控制系統和 開發的上位機多 環境變量數據監測及遠程環境調控系統 基于 模塊的無線通信技術 實現對植物工廠 內多環境變量數據監測 智能調控的功能 所應用的 數字技術將加速設施農業各領域各環節的數字化改 造 提高農業生產效率 提高植物產能 實現農業的 精準種植 機械化管理 為設施農業生產管理提供智 能決策方案 為后續植物工廠多變量環控系統的研究 提供一定的參考 參考文獻 汪銳 楊豫森 王琮 等 植物工廠產業發展現狀 照明 工程學報 李清明 仝宇欣 楊曉 等 國內外植物工廠研究進展與發展 趨勢 農業工程技術 劉鎧哲 劉厚誠 植物工廠快速育種技術研究進展 農業 工程技術 陳漢群 面向植物工廠的環境調控規則推理技術應用研究 杭州 浙江大學 徐少承 嵌入式植物工廠智能監控系統的設計與開發 廣 州 華南理工大學 劉水麗 人工光源在閉鎖式植物工廠中的應用研究 北 京 中國農業科學院 孫程 基于移動機器人的植物工廠小區域中部分植物病害識 別與檢測的關鍵技術研究 杭州 浙江科技學院 許志雄 基于物聯網和機器視覺技術的水耕種植智能化工廠 設計 武漢 武漢大學 趙云霞 幾種代表植物工廠化栽培技術研究 南京 南 京大學 管理 平臺在植物生長環境監測系統設計的應用 電子世界 余洋 智能植物工廠控制系統研究與優化 杭州 浙江 大學 責任編輯 賈燦