基于Android手机的植物工厂多变量环控系统设计研究.pdf

农业与技术 农业工程 基于 手机的植物工厂多变量环控系统设计研究 张子华 李晓月 张林杰 魏冉明 张煜荣 王启璠 冯凯祺 北京工业大学材料与制造学部 北京 北京亦庄数字基础设施科技发展有限公司 北京 摘 要 随着物联网技术飞速发展 植物工厂作为设施农业领域的新型种植模式 大幅提高了农作物的产量 但 本身在环境检测和控制方面存在数据采集不完整 环境监测响应滞后等缺点 为了解决这些问题 本文以植物工 厂为研究对象 利用 下位机数据采集 环境控制技术和 手机端 开发技术 设计了一套植物 工厂多变量环控系统 实现对植物工厂多环境变量智能化管理 该系统可以通过手机 远程检测 浓度 有机物挥发物浓度 温湿度 土壤湿度以及光照强度 并实现实时远程环境调控植物工厂的环境参数 通过优化 植物生长环境 实现农作物的优质高产 并提升农业经济效益 关键词 智慧农业 植物工厂 多环境变量 物联网 中图分类号 文献标识码 收稿日期 基金项目 北京市教育委员会科研计划项目 项目编号 北京工业大学 星火基金 重点计划项目 项目编号 作者简介 张子华 男 博士 讲师 研究方向 绿色 低碳 可持续设计与制造 在传统农耕文明中 食物的生产依赖阳光 土 壤 然而 由于自然灾害因素的影响 食物生产往往 会受到极大的冲击 尤其是城市地区的食品供应 为 了应对这一挑战 植物工厂 的推广应用为粮食安 全提供了一条新出路 植物工厂使用大量先进技 术 不仅可以大幅度提升粮食蔬菜的产能 还可以 做到稳定持续 的生产 植物工厂是对传统农业生产方式的一种革新 植 物工厂的高效生产离不开温度 湿度 二氧化碳浓度 等环境参数 的精准控制 在达到所设定的环控条 件后 植物工厂便能够采用工厂化的生产方式进行轮 作式生产 但在此之前 在市面上还没有完善的监管 工具 大多数植物工厂需要额外耗费大量人力物力 为解决这些问题 本研究把单一的传感器通过 开发板进行集成化操作 应用物联网 技术手段实 时检测每个传感器的环境变量变动 实现更高效的环 境变量监测和提升农业经济效益 对于植物工厂环境变量参数监测 南京大学的赵 云霞 教授指出 我国在植物工厂的植物栽培技术 方面已经非常成熟 无土栽培 水培等技术已经完全 应用 但我国植物工厂却面临自动化 智能化程度 低 对外界环境控制有限 植物工厂技术体系尚不完 善等问题 这一系列未解决的问题有待于植物工厂多 环境变量智能监测平台的研究 等 研究了一套经济灵活的微型植物工厂 以适应城市地区环境 其传感器和执行器与 系统集成 用于监测和控制 并可自主执行数 据检索和驱动 通过每 自动捕 获监测数据进行操作 等 则是针对植物工 厂中的照明系统开发出 可移动向下照明结合补光可 调侧式照明系统 和无补光侧式照明系统 等 等在植物工厂中采用了立体摄 像机并且基于深度感知实现了植物生长监测 苏州大 学的管理 基于 平台建立了植物生长环境 检测系统 该系统对于提高单位面积的耕地作物产 物 实行立体式的种植以及利用家庭庭院 室内种植 等具有重要指导意义 来自浙江大学的余洋 搭建 了植物工厂系统作为实验平台 使用树莓派作为主控 制器 搭载多型传感器 实现了对植物工厂环境的全 面监测 并通过 驱动信号实现了对多个设备的 自动调控 同时开发了上位机软件系统 可实时监测 环境参数的变化 发送异常数据提示短信 查询历史 数据或调整控制参数 综上所述 本文旨在开发基于微控制器的环境监 测与控制系统 其中包括下位机和上位机 部分 下 位机是 数据采集和环境控制技术 上位机则 农业工程 农业与技术 是基于 开发的 移动端 用于接收下 位机发送的环境参数并以折线图形式展示 同时 上 位机还能向下位机发送远程控制指令 实现对植物工 厂环境的精确控制 系统设计 系统总体架构设计 本系统总体分为下位机和上位机 个部分 下位机数据采集模块由通讯模块 开发 板 多路环境变量传感器等模块构成 上位机客户端 是基于 语言开发的 在该系统中 环境变量传感器用于监测 种环境参数 并通过模拟 信号的形式传输至 开发板 开发板负 责对接收到的模拟信号进行解析和处理 并借助通讯 模块将经过处理的模拟数值以无线信号的方式发送至 上位机 基于 开发的 客户端实现了数据 的接收 处理 实时显示 控制和存储等功能 通过 后台逻辑设计 手机客户端 以简洁的操作界面 形式呈现给管理者 用户只需安装控制软件并登录系 统 即可对植物工厂内的环境变量参数进行智能监管 和控制 图 植物工厂多变量环控系统总体设计 分模块功能设计 本研究旨在利用智能测控技术 实现对植物工厂 内多个环境参数的监测和调节 系统功能设计如下 下位机 模块系统设计 下位机 模块系统主要包括 个功能部分 接收传感器采集和发送的环境变量数据部分 以及控 制植物工厂通风系统 补光系统和照明系统的部分 具体架构如图 所示 在实现系统功能时 导入传感 器的库函数 调用库函数 经过对传感器以及 模块的初始化送数据的函数 将数据以字符串数组的 形式向上位机发送 在设计控制功能时 通过 模块接收和解码下位机所发送的数据 通过函数转换 将数字信号转换成电信号 对 灯以及风机模块 的舵机进行控制 实现植物工厂对多变量环控系统中 控制功能要求 图 下位机系统架构 上位机 客户端 模块设计 上位机部分主要对控制模块 显示模块 设置模 块 数据库进行界面设计与开发 具体功能框架如图 所示 本系统在手机 进行多环境变量数据的实 时更新与曲线化展示 方便植物工厂管理者实时监测 工厂内各项变量参数 从而进行相应操作 对植物工 厂进行精准把控 满足实际需求 图 手机客户端框架图 多变量环控系统设计 在植物工厂多变量环境控制系统的设计中 使用 多种传感器 控制模块和通信模块 实现对植物工厂 多个环境变量参数的采集 控制以及与 上位 机之间的数据交互 控制中心 是一款便捷灵活的开源电子原型平台 具有用户范围广 可移植性高 安全性强 免费开源 等特点 包含硬件 各种型号的 板 和软件 个部分 硬件部分是可以用来做电 路连接的 电路板 软件部分是 软 件开发测试平台 即计算机中的程序开发环境 能通过各种各样的传感器来感知环境 再通过 农业与技术 农业工程 控制其他的装置来反馈 影响环境 开发板 上的微控制器可以通过 的编程语言来编写程 序 编译成二进制文件 烧录进微控制器 实现对传 感器的数据采集以及其他装置的反馈控制 本系统采用 开发板 如图 所 示 其基于 处理器 采用 接口 具 有 路模拟输入和 路数字输入 输出口 可以自动选择 种供电方式 外部直流电 源通过电源插座供电 电池连接电源连接器的 和 引脚 接口直流供电 开发板具有 路 接口 个 晶体振荡 器 个 口 个电源插座 个 和 个复位按钮 具有支持 个主控板的所有资源 具体规格参数 工作电压 输入电压范围 推荐输入电压范围 口的输出 电流 管脚的输出电流 内存空 间 时钟频 率 图 开发板 环境变量监测模块 植物生长环境中的环境变量参数会影响植物的生 长 在植物工厂中主要对植物生长环境中的 浓 度 有机物挥发物浓度 温湿度 土壤湿度以及光照强 度进行监测 本系统使用 开发板连接 传 感器 数字传感器 土壤湿度传感器和数字光 照传感器 以实现对环境变量的监测功能 传感器是一款金属氧化物气体传感器 内 置了 个气体传感元件 该传感器具备完全校准的空 气质量输出信号功能 如图 所示 的传感部 分基于金属氧化物纳米颗粒的加热膜 目标气体会与 金属氧化物颗粒上吸附的氧气发生反应 从而释放出 电子 导致由传感器测量的金属氧化物层的电阻发生 改变 通过电路部分对电阻进行检测 信号处理与转换 可以输出 有机物挥发物浓度 量程为 浓度 量程为 因此该传感器可以 用于本系统进行 浓度与有机物挥发物浓度监测 数字传感器是一款采用数字模块采集技术和温 湿度传感技术的温湿度复合传感器 如图 所示 该 传感器包括 个电阻式测湿元件和 个电阻式热敏测 温元件 精度高 具有已校准的数字输出信号 在本 系统中 利用 数字传感器来检测环境的温度和 湿度 该传感器的测量范围为湿度 和温 度 具有较高的分辨率 即湿度 和温度 此外 传感器的精度也相对较高 湿度精度为 温度精度为 土壤湿度传感器是根据土壤 水分含量与土壤电阻值之间的关系进行设计的 如图 所示 可以宽范围监测土壤的湿度 测量范围为自 定义的 通过电位器调节控制相应阈值 湿度低于设定值时 传感器输出高电平 高于设定值 时 传感器输出低电平 数字光照传感器是基于半导 体的光电效应原理设计的 集成了数字环境光传感器 电路的 总线接口 如图 所示 此外 其光谱响 应接近视觉灵敏度的分光特性 具有明显的红外抑制 作用 适合于获取环境光数据 在高分辨率 范围 下检测光照强度 调控系统 图 传感器 图 数字传感器 农业工程 农业与技术 图 土壤湿度传感器 图 数字光照传感器 环境变量控制模块 环境变量控制模块包含通风系统 补光系统和照 明系统 个部分 通风系统通过搭载风机模块来实 现 模块如图 所示 植物工厂多变量环控系统启动 运行后风机模块一直处于通电状态下 通过闭环控制 实现对植物工厂中 与有机物挥发物浓度的动态控 制 当 浓度或有机物挥发物浓度超过设定标准 时 系统产生脉宽 生成方波控制风扇电机转动 当 浓度与有机物挥发物浓度均下降到标准值以下后 风扇转动停止 补光系统是通过 脉宽调制控制 灯的亮度的方式实现 以闭环控制的方式使植物 工厂中的光照强度保持在 左右 模块如图 所示 照明系统则能够实现植物工厂照明需求 模块 如图 所示 图 通风系统模块 图 补光系统模块 图 照明系统模块 通讯模块 由于 开发板不具备无线通讯功能 为实 现本系统植物工厂的上位机与下位机之间的数据连接 传输 本系统选用 模块作为通信模块 如图 所示 采用局域网下的 通信方式进行通 信 并通过 开发板进行驱动 传输协议采用 协议 实现端对端的数据传输 传输数据时 通过超时重发 失序处理 重复处理和数据校验等方 式确保植物工厂系统下位机所采集到的数据无差错 不丢失 不重复 且按序发送给上位机 具有可靠性 强的优点 模块通过 指令进行初始 化 进行数据传输时通过 指令可建立 个 服务器 且使之能连接多个 客户端 通 过将 指令交给单片机进行硬件串口编写 可在通 电后自动创建 个 热点 并将下位机采集到的 环境变量数据以字符串数组的形式发送给上位机 图 模块 系统设计与开发 多变量环控系统数据显示模块开发 植物工厂的多变量环控系统的显示模块包括 个 部分 多环境变量实时显示模块和变量曲线显示模 块 本系统加入变量曲线显示模块 将各变量参数进 行曲线化展示 能够使系统管理者更加直观地监管 调控系统 管理者需打开手机客户端 植物工厂智能调控 点击如图 所示的跳转界面 将根据后 端预设端口号与下位机 地址尝试 连接 从 而完成与下位机的通信连接 为实现植物工厂多变量 农业与技术 农业工程 环控系统与下位机的通信连接成功 管理者需要保证 上位机客户端 热点与下位机处于同一局 域网 图 手机 系统界面 当本系统与下位机成功建立通信 多环境变量显 示模块将对由下位机发送的各环境变量数据进行处理 并实时更新显示 在如图 所示的显示界面中 个显示框分别用于实时更新显示温度 湿度 浓度 浓度 土壤湿度和光照强度等变量参数 当 个显示框分别显示对应变量数据 在显示界 面任意点击一个变量数据 本系统将对这一环境变量 参数进行曲线化展示 并实时更新 如图 所示 其中 不同环境变量参数分别以不同颜色线条展示以 便进行区分 便于管理者更加直观地了解植物环境变 量参数的变化 以便管理者对植物工厂的各项环境参 数进行分析 从而进行相应的精准调控 图 通讯连接装置 如图 所示 当手机客户端系统与下位机通信 连接建立失败 操控者需打开如图 所示 设置 界面 确认端口号和 地址是否与下位机保持一致 若不一致 操控者可以对端口号与 地址进行编辑 点击 连接按钮 即可实现手动连接 因此 本系统 能够保证上位机的适配性与容错性 多变量环控系统控制模块设计 植物工厂多变量环控系统控制模块设计囊括植物 工厂通风系统 植物工厂照明系统以及植物工厂补光 系统 部分 图 控制界面 各控制系统如图 所示 在植物工厂环境 浓 度过高时 操控者可借植物工厂通风系统控制舵机的 启动与停止对环境中 浓度进行调控 当植物工厂 中光照强度不足时 管理者可在手机端 提高植 物工厂补光系统的光照强度对植物进行多级补光 保 证植物在最适宜光照条件下茁壮成长 多变量环控系统数据库设计 植物工厂多变量环控系统还具备数据存储功能 采用轻量级 数据库来实现 本系统将从下位机 收集到的 路变量参数存入 数据库中 以便进 行数据分析并提出相应改良方案 数据库是 内置数据库 遵循 关系 事务 具备 持久性 原子性 隔离性 一致性 并且处理速度 快 占用资源比重低 数据库界面如图 所示 图 手机客户端数据存储 农业工程 农业与技术 总结 本文结合 的下位机多环境变量参数采集 系统及环境变量控制系统和 开发的上位机多 环境变量数据监测及远程环境调控系统 基于 模块的无线通信技术 实现对植物工厂 内多环境变量数据监测 智能调控的功能 所应用的 数字技术将加速设施农业各领域各环节的数字化改 造 提高农业生产效率 提高植物产能 实现农业的 精准种植 机械化管理 为设施农业生产管理提供智 能决策方案 为后续植物工厂多变量环控系统的研究 提供一定的参考 参考文献 汪锐 杨豫森 王琮 等 植物工厂产业发展现状 照明 工程学报 李清明 仝宇欣 杨晓 等 国内外植物工厂研究进展与发展 趋势 农业工程技术 刘铠哲 刘厚诚 植物工厂快速育种技术研究进展 农业 工程技术 陈汉群 面向植物工厂的环境调控规则推理技术应用研究 杭州 浙江大学 徐少承 嵌入式植物工厂智能监控系统的设计与开发 广 州 华南理工大学 刘水丽 人工光源在闭锁式植物工厂中的应用研究 北 京 中国农业科学院 孙程 基于移动机器人的植物工厂小区域中部分植物病害识 别与检测的关键技术研究 杭州 浙江科技学院 许志雄 基于物联网和机器视觉技术的水耕种植智能化工厂 设计 武汉 武汉大学 赵云霞 几种代表植物工厂化栽培技术研究 南京 南 京大学 管理 平台在植物生长环境监测系统设计的应用 电子世界 余洋 智能植物工厂控制系统研究与优化 杭州 浙江 大学 责任编辑 贾灿