基于阿里云IoT的气雾栽培式家庭植物工厂控制系统的设计.pdf

收稿日期 2020 06 06 基金项目 北京农业职业学院2019 年度科研项目 XY YF 19 23 作者简介 尹璐 1982 女 黑龙江哈尔滨人 讲师 工程硕士 研究方向为设施农业装备 基于阿里云 IoT 的气雾栽培式家庭 植物工厂控制系统的设计 尹 璐 杨学坤 北京农业职业学院 北京 102208 摘 要 结合自动化技术 嵌入式技术 物联网技术 设计一套基于阿里云IoT平台的气雾栽培式家庭植物工 厂控制系统 该系统采用触摸屏PLC一体机为主控制器 通过网关模块接入阿里云IoT平台 并采用 IoT Stu dio Web可视化开发工具进行手机端应用软件设计 可实现对家庭植物工厂的远程监控 满足实际应用需 求 使用户获得良好的应用体验 关键词 家庭植物工厂 传感器 阿里云IoT 远程监控 中图分类号 S24 文献标识码 A 文章编号 1671 6558 2020 03 36 06 DOI 10 3969 j issn 1671 6558 2020 03 009 Design of Aerosol Culture Family Plant Factory Control System Based on Ali Cloud IoT YIN Lu YANG Xuekun Beijing Vocational College of Agriculture Beijing 102208 China Abstract Combined with automation technology embedded technology and Internet of things technology a set of control system for home plant factory based on Alibaba cloud IOT platform is designed This system adopts the tou ch screen PLC as the main controller connects to the Ali Cloud IoT platform through the gateway module and uses IoT Studio Web visual development tools to design mobile application software It can realize the remote monitoring of the family plant factory meet the practical application needs and give users a good application experience Key words family plant factories sensor Ali cloud IoT remote monitoring 0 引言 随着科学技术的发展 生活水平的提高和人们 对高品质生活的不断追求 家庭植物工厂逐步受到 城市居民的关注 家庭植物工厂不仅可以美化居住 环境 还可以高效利用空间为用户提供绿色安全蔬 菜 1 2 在政府的大力推动下 自2010 年我国首例家庭 植物工厂问世以来 从微型植物工厂到适合于楼宇 家庭使用的JPWZ 1 家庭植物工厂 再到拥有基于 Android 平台智能监控系统的家庭植物工厂以及环 第19 卷 第3 期 2020 年7 月 北京工业职业技术学院学报 JOU NAL OF BEIJING POLYTECHNIC COLLEGE 3 Vol 19 July 2020 保LED生态种植柜 创新成果不断涌现 3 5 目前 现有的家庭植物工厂无论采用何种栽培 方式 何种核心控制器 大多为单机控制操作设备 不具备远程在线监控功能 用户只能在本地获得植 物工厂的相关数据 本文基于阿里云 IoT 平台 设 计并开发了一种气雾栽培式家庭植物工厂 以下简 称植物工厂 控制系统 使用户可以实现对植物工 厂的远程监控 6 1 总体控制方案 植物工厂控制系统可分为主控制器 传感器模 块 输出控制模块 触摸屏 无线网关模块 手机APP 等部分 系统控制结构图如图1 所示 图1 系统控制结构图 控制系统在工作过程中 主控制器每30 s 接 收1 次传感器模块采集的数据 传感器模块可以 对系统内空气的温湿度 EC 值 营养液温度 pH 值 CO 2 浓度和液位高度等信息进行采集 通过信 号线将数据传送给主控制器 主控制器根据预先 设定程序 将数据信息显示在触摸屏和手机 APP 上 再与对应数据设定阈值进行比较判定 自动调 节输出控制模块 或根据触摸屏或手机 APP 发出 的手动控制指令 对输出控制模块进行调节 输出 控制模块由12 路继电器模组构成 执行机构由 自吸泵 LED 灯 压缩机 增氧泵 紫外线消毒机 加热棒 风机组成 根据接收的控制指令 自吸泵 从营养液箱中抽取营养液 雾化后未被植物吸收 的营养液回流至营养液箱 紫外线消毒机对营养 液箱进行定时消毒 避免滋生细菌 加热棒用于控 制营养液的温度 LED 灯为植物工厂提供 2 种光 照模式 用户可根据需要自行选择 压缩机根据系 统时间以及传感器采集数据进行植物工厂内的温 度控制 增氧泵和风机用于调节植物工厂内的氧 气浓度 空气温湿度和CO 2 浓度 以满足植物正常 生长发育的各种需求 2 控制系统硬件设计 植物工厂控制系统硬件由主控制器 传感器模 块 输出控制模块 触摸屏 无线网关模块组成 1 主控制器和触摸屏 综合技术 成本及开 发周期等因素 本控制系统采用 MHW6070 1212M 6AD型触摸屏PLC 一体机作为系统主控 制器 该控制器集触摸屏显示和 PLC 控制于一体 控制力强 操作灵活方便 可靠性高 适宜长期工作 PLC兼容三菱FX2N系列 采用7 寸触摸屏 具有光 耦隔离的12 路开关量输入和12 路开关量输出 支 持6 路4 20 mA 模拟量信号输入 具有485 通讯 口 支持 MODBU TU通信协议 2 传感器模块 传感器模块包括空气温湿度 传感器 CO 2 浓度传感器 营养液 EC 值 温度二合 一传感器 pH值传感器和液位传感器 各传感器型 号 功能及主要参数见表1 所示 73 第3 期 尹 璐 等 基于阿里云IoT的气雾栽培式家庭植物工厂控制系统的设计 表1 气雾栽培式家庭植物工厂传感器型号及主要参数 序号 名称 型号 主要参数 功能 1 空气温湿度传感器 LT CG S D 005 A0000 12 测量范围 空气温度 40 80 空气湿度0 100 H 测量精度 空气温度 0 5 空气湿度 3 H 采集植物工厂内部温度值 外 部湿度值 2 EC值和液温传感器 LT CG S Y 005 A0700 12 供电电压DC12 24 V 测量范围 溶液温度 40 80 溶液 EC值0 10 ms cm 测量精度 溶液温度 0 5 溶液EC 3 采集营养液的EC值和温度 3 pH值传感器 AMT PH300 额定电压DC12 24 V 工作温湿度 0 65 10 95 H 测量精度 0 1PH 测量范围 0 14 PH 采集营养液 pH 值 反映营养 液氮 钾浓度 4 CO 2 浓度传感器 LT CG S D 005 A0500 H 12 V1 2 测量范围 0 2000 ppm 测量精度 4 采集植物工厂内部 CO 2 浓度 值 5 液位传感器 XKC Y26 V 额定电压 24V 输出电流 1 100 mA 响应时间 500 ms 误差 1 5 mm 采集营养液液位高度 3 网关模块 网关模块是系统的核心模块之 一 用于在网络层以上实现网络互连 分别与设备 和云平台连接 通过无线方式与智能交互终端等产 品进行数据交互 从而实现手机等终端对设备的远 程监测与控制 系统中选用 YK G316G B 型网 关模块 可实现Modbus 与 MQTT 通讯协议的转换 支持 S485 Modbus TU 协议和 MQTT V3 1 1 协 议 数据上报为 Json 格式 支持数据定时上报及变 化上报 支持远程向从机写入数据及远程 MQTT 协 议配置网关参数 3 控制系统软件设计 3 1 系统控制程序设计 植物工厂采用触摸屏 PLC 一体机作为系统主 控制器 以梯形图作为编程语言 按结构化工程的编 程方式进行程序编辑 参数设定 网络设置 程序的 监控调试及在线更改等设计 系统控制程序包括 主程序 数据处理子程序 通讯子程序 输出控制子 程序等部分 主程序的主要任务是设置程序的起始 点 对系统初始化 调用各子程序 控制事件循环 当 退出程序时 恢复系统的原始环境 系统控制程序 流程如图2 所示 图2 系统控制程序流程图 83 北京工业职业技术学院学报 第19 卷 3 2 触摸屏程序设计 触摸屏是系统的输入输出设备 可以进行设备运 行状态 环境因子 营养液因子等信息的监测与控制 并可进行种植模式选择 控制策略修改 传感器校准 等 触摸屏软件采用MHW美禾威触摸屏组态软件 编写 包括欢迎页面 主页面 模式选择 专家模式等 页面 可用于显示设备运行状态 环境因子 营养液 因子等信息 进行种植模式的选择 建立校准界面 压 缩机模式 LED模式 自吸泵模式等窗口 进行传感器 的校准 空调制冷等设备的控制 如图3所示 a 触摸屏主页面 b 专家模式页面 图3 触摸屏界面 3 3 阿里云IoT接入 本系统选择阿里巴巴集团推出的专业物联网服 务平台阿里云 IoT 该平台可提供云管边端等基础 产品接入及技术赋能 提供安全可靠的设备连接通 信能力 支持设备数据采集上云 规则引擎流转数据 和云端数据下发设备端 实现远程控制 按照阿里云平台提供的接入流程和操作方法将 设备接入平台 基本步骤可分为 登录注册 创建产 品 添加设备 定义物模型 配置阿里云以及添加 Modbus变量 如图4 所示 图4 设备接入阿里云平台的基本步骤 登录物联网平台 管理控制台 在产品管理页 面 创建名称为 气雾栽培式家庭植物工厂 的产品 并设置节点类型 联网方式及数据格式 节点类型为 直连设备 联网方式为 蜂窝 4G 数据格式为 ICA标准数据格式 Alink JSON 成功创建产品 后进入设备管理页面添加设备 选中上一步创建的产 品 输入设备名称 PLC01 完成设备的创建 阿里云物联网平台支持为产品定义物模型 将 实际产品抽象成由属性 服务 事件所组成的数据模 型 便于云端管理和数据交互 其中 一般将属性设 置为 485 设备数据 状态的上传和下达 将事件设 置为故障 报警 通过产品详情中的自定义功能栏添加功能 将室内温度 自吸泵开关定义为属性 室内温度设 为浮点型 标识符为 TEMP 并设定取值范围 自吸 泵开关设为布尔型 标识符为 PUMP 分别设置布 尔值对应含义 0 为关闭 1 为打开 据此 分 别设置室外湿度 EC值 pH值 CO 2 浓度等环境因 子 LEDA LEDB 空调加热 空调制冷 风机等设 备状态以及控制模式 空调制冷控制等设备开关 的物模型 由于PLC控制器与网关模块之间采用 Modbus 通信协议 而网关模块与阿里云物联网平台直接采 用MQTT协议 因此需要对网关模块进行配置 打 开网关模块配置软件 Modbus to MQTT Configrator 将阿里云产品的 ProductKey DeviceName DeviceSe cret信息填入对应的文本框 确认后会自动生成表 单 网关配置完成后 需要添加 Modbus 变量实现 阿里云物联网平台变量与 PLC 变量间的对应关 系 在配置软件 Modbus 选项卡中的添加变量界 面 选择相应数据通道和数据类型 布尔型选择0 区 浮点型选择4 区 键名与阿里云物联网平台中 定义的标识符一致 添加寻址地址 寻址地址与 PLC 中变量的地址一致 并按照变量要求设置变 化阈 低限上报 高限上报等参数 设置完毕后 点击写入参数 即完成网关模块的配置 PLC 变 量的含义 地址与阿里云物联网平台中变量的对 应关系见表2 所示 93 第3 期 尹 璐 等 基于阿里云IoT的气雾栽培式家庭植物工厂控制系统的设计 表2 气雾栽培式家庭植物工厂参数变量一览表 序号 PLC控制器 网关模块 阿里云物联网平台 含义 变量 寄存器地址 键名 标识符 1 营养液位1 X000 001025 LC1 Alarm LC1 2 营养液位2 X001 001026 LC2 Alarm LC2 3 灯架高度检测 X003 001028 SPAC Alarm SPAC 4 空调制冷开关 Y000 001281 COMP Alarm COMP 5 营养液加热器开关 Y001 001282 HEATE 2 Alarm HEATE 2 6 LEDA开关 Y002 001283 LEDA Alarm LEDA 7 LEDB开关 Y003 001284 LEDB Alarm LEDB 8 空调加热开关 Y004 001285 HEATE Alarm HEATE 9 紫外线消毒灯开关 Y005 001286 STEN Alarm STEN 10 风机开关 Y006 001287 FANS Alarm FANS 11 自吸泵开关 Y012 001291 PUMP Alarm PUMP 12 模式选择 M8 002057 MODE Alarm MODE 13 自吸泵控制模式 M82 002129 LEDA C Alarm LEDA C 14 LEDA控制模式 M80 002130 LEDB C Alarm LEDB C 15 LEDB控制模式 M81 002131 PUMP C Alarm PUMP C 16 消毒灯控制模式 M83 002132 STEN C Alarm STEN C 17 营养液加热控制模式 M84 002133 HEATE 2 C Alarm HEATE 2 C 18 空调制冷控制模式 M85 002134 COMP C Alarm COMP C 19 空调制热控制模式 M86 002135 HEATE C Alarm HEATE C 20 风机控制模式 M87 002136 FAN C Alarm FAN C 21 室内温度 D266 404363 TEMP Alarm TEMP 22 室外湿度 D282 404379 HUMI Alarm HUMI 23 营养液温度 D352 404449 TEMPW Alarm TEMPW 24 营养液EC值 D370 404467 EC Alarm EC 25 pH值 D388 404485 PH Alarm PH 26 CO 2 浓度 D402 404499 CO 2 Alarm CO 2 3 4 基于阿里云IoT的应用软件设计 应用软件是用户通过手机终端设备与系统进 行交互的平台 阿里云物联网平台提供的 Iot Stu dio Web 可视化开发工具 可与阿里云设备接入以 及物模型进行无障碍交互数据 可以直接在可视 化配置中选择对应的产品和设备 调用设备数据 或进行设备控制 本系统采用 IoT Studio Web 可 视化开发工具进行应用软件设计 设计步骤如图 5 所示 图5 应用软件设计步骤 按上述步骤完成应用软件设计 可在手机 APP 端显示系统环境因子的实时数据和曲线 也可实现 设备管理模式的选择 系统主界面 操作界面及数 据监控界面如图6 所示 04 北京工业职业技术学院学报 第19 卷 a 主界面 b 操作界面 c 监控界面 图6 应用软件界面 4 结论 本文选用阿里云IoT 平台作为设计的数据交换 中枢 设计了气雾栽培式家庭植物工厂控制系统 以 触摸屏一体机作为主控制器 通过 YK G316G B 型网关模块接入阿里云IoT平台 采用手机APP人机 交互实现对植物工厂的远程监控 可使用户获得良好 的应用体验 具有较强的实用性和较好的推广价值 参考文献 1 丁飞 吴飞 艾成万 等 基于OneNET平台的环境监测系 统设计与实现 J 南京邮电大学学报 自然科学版 2018 38 4 24 29 2 罗孟德 贾鹤鸣 赵文科 等 微型植物工厂雾培控制系 统设计 J 科技创新与生产力 2017 6 94 98 3 刘彤 贺宏伟 李尧 等 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 4 197 202 4 吕艳 数字植物工厂技术正式步入家庭生活 J 农业工 程技术 温室园艺 2010 12 58 59 5 商守海 周增产 卜云龙 等 JPWZ 1 型微型植物工厂 的研制 J 农业工程 2012 2 1 44 47 6 韩丽丽 程峥 牛萍娟 等 LED 家庭植物工厂控制系统 设计 J 照明工程学报 2019 30 2 71 80 责任编辑 张艳霞 櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞 上接第14 页 4 董婧 基于MPPT的光伏系统充电控制器的研究 D 西 安 西安工业大学 2014 24 27 5 普平贵 光伏控制器新型充电管理模式研究 J 阳光能 源 2011 4 58 60 6 罗赟 基于PVsyst的独立光伏系统设计 J 信息通信 2015 5 53 55 7 孔凡太 戴松元 我国太阳能光伏产业现状及未来展望 J 中国工程科学 2016 18 4 51 54 8 刘文洲 西灯考 蔡长青 等 太阳能光伏发电系统 MPPT 综述 J 长春工程学院学报 自然科学版 2016 17 3 39 41 9 杭凤海 杨伟 朱文艳 光伏系统 MPPT的扰动观测法分 析与改进 J 电力系统保护与控制 2014 42 9 110 114 10 汤济泽 王丛岭 房学法 一种基于电导增量法的 MPPT 实现策略 J 电力电子技术 2011 45 4 73 75 11 陈亚爱 周京华 李津 等 梯度式变步长 MPPT 算法在 光伏系统中的应用 J 中国电机工程学报 2014 34 19 3156 3161 12 张永革 石季英 张文 等 复杂遮阴条件下光伏系统 MPPT控制改进PSO算法仿真研究 J 中国电机工程学 报 2014 34 S1 39 46 13 朱健 一种改进的基于恒定电压法的光伏电池最大功 率点跟踪方法 J 电子技术与软件工程 2016 3 248 249 14 涂小伟 陈皓 基于 BOOST BUCK 电路的光伏脉冲充 电系统 J 电源技术 2012 36 6 866 868 责任编辑 张艳霞 14 第3 期 尹 璐 等 基于阿里云IoT的气雾栽培式家庭植物工厂控制系统的设计