基于嵌入式和云平臺(tái)技術(shù)的植物工廠智能化系統(tǒng)研究

【摘 要】本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用STM32主控板，集成了ESP8266網(wǎng)絡(luò)通信模塊、LCD液晶顯示模塊、攝像頭模塊、LED驅(qū)動(dòng)電源模塊和幾種常見的環(huán)境傳感器，并結(jié)合PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物工廠內(nèi)光照的精確控制。能夠隨時(shí)隨地的通過電腦和手機(jī)對(duì)植物工廠系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)和控制。

【關(guān)鍵詞】嵌入式;云平臺(tái);植物工廠;智能控制

1、研究背景和意義

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植模式己經(jīng)不能夠滿足社會(huì)發(fā)展的需要，如何利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)以最少的人力、物力進(jìn)行高質(zhì)量的植物種植將是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。植物工廠是環(huán)境參數(shù)可控的設(shè)施農(nóng)業(yè)，可通過中心計(jì)算機(jī)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的溫度、濕度、光照度及二氧化碳濃度等環(huán)境因子進(jìn)行智能控制，由于植物工廠系統(tǒng)的可控性，在一定程度上減少了植物生長(zhǎng)、生產(chǎn)在區(qū)域和氣候上的影響，這是一種融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、是科學(xué)技術(shù)密度高、不受或極少受氣候及環(huán)境影響和制約的高精度、高效率農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。

2、研究?jī)?nèi)容

本論文結(jié)合嵌入式、無線通信、云平臺(tái)技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一種植物工廠管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境因子參數(shù)的采集、存儲(chǔ)及控制，并可通過PWM調(diào)光技術(shù)，結(jié)合PID控制算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒照度調(diào)光。同時(shí)開發(fā)了系統(tǒng)應(yīng)用軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了通過遠(yuǎn)程客戶端對(duì)植物工廠環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制功能。

本系統(tǒng)主控芯片選擇STM公司的32位單片機(jī)STM32103RCT6，傳感器模塊采集植物工廠內(nèi)溫濕度、光照度和CO2濃度，溫濕度傳感器選用DHT11模塊，該模塊內(nèi)部集成溫濕度感應(yīng)元件，能夠精準(zhǔn)的獲取環(huán)境的溫濕度。光照傳感器選用GY-30模塊，CO2濃度傳感器選用雙通道傳感器MG-811，能夠準(zhǔn)確快速的獲取空氣中的二氧化碳濃度或含量。無線接入模塊使用ESP8266WiFi模塊，通過主控芯片MCU的串口2與無線模塊通信，無線模塊接入本地路由，進(jìn)而接入無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳輸。繼電器模塊選用電磁繼電器，負(fù)責(zé)控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。云端進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、歸類、分發(fā)，并負(fù)責(zé)其他相關(guān)信息的收集和信息發(fā)布。自主開發(fā)移動(dòng)客戶端，用戶可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方通過手機(jī)APP或者PC端網(wǎng)頁查看植物工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，用戶還可根據(jù)顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作出判斷，發(fā)出控制命令，結(jié)合設(shè)定的控制算法控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，達(dá)到植物工廠內(nèi)環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)。

3、本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

（1）系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)方案，分為硬件電路設(shè)計(jì)和主控軟件設(shè)計(jì)兩大部分。因系統(tǒng)功能需要，硬件電路需同時(shí)連接溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、顯示器模塊、時(shí)鐘模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊及強(qiáng)電控制電路等多個(gè)外圍電路，所以選擇了功能較為強(qiáng)大的STM32F103控制芯片作為控制核心。且該芯片具有寄存器和軟件庫(kù)兩種開發(fā)方式，主控程序選用C語言為基礎(chǔ)的KEIL5為集成開發(fā)環(huán)境。

本系統(tǒng)主要包括主控電路模塊、電源模塊、傳感器模塊、攝像頭模塊、時(shí)鐘模塊、LCD顯示屏模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊及強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路。主控模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。電源模塊分為系統(tǒng)電源模塊和LED模組電源兩部分。傳感器模塊包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器，用于系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)采集。攝像頭模塊用于實(shí)時(shí)獲取環(huán)境圖片。時(shí)鐘模塊用于記錄采集環(huán)境參數(shù)的時(shí)間。LCD顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)和調(diào)試信息。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用無線WiFi，方便設(shè)備用于接入internet。強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路采用繼電器模塊，通過低壓5V電路控制高壓220V電壓設(shè)各，各個(gè)模塊既相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，與主控芯片一起構(gòu)成了系統(tǒng)電路。系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示。

（2）系統(tǒng)硬件電路架構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)的植物工廠系統(tǒng)是遠(yuǎn)距離的監(jiān)控系統(tǒng)，傳輸協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，各個(gè)部分之間通過TCP協(xié)議下的socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的。系統(tǒng)采用WiFi無線方式接入網(wǎng)絡(luò)，因此需要附近有路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持。在實(shí)地生產(chǎn)環(huán)境使用時(shí)可以采用多點(diǎn)部署，即可以同時(shí)對(duì)多個(gè)植物工廠進(jìn)行監(jiān)控，也可以對(duì)同一植物工廠的不同部署點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)硬件電路架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

將系統(tǒng)安裝到實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境后，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)為每個(gè)植物工廠內(nèi)的系統(tǒng)或者一個(gè)植物工廠內(nèi)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分配一個(gè)唯一的IP地址，并且通過ESP8266 WiFi模塊接入到本地路由器，路由器接入部署好的云服務(wù)端。用戶的手機(jī)、電腦等終端只要能夠接入網(wǎng)絡(luò)，均可以查看和控制植物工廠相應(yīng)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)。開發(fā)了手機(jī)移動(dòng)端APP，下載安裝APP就可通過手機(jī)移動(dòng)客戶端軟件查看控制植物工廠內(nèi)環(huán)境參數(shù)，同時(shí)可控制其溫室內(nèi)的光照、通風(fēng)等設(shè)備。結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了Web頁面，部署了IIS服務(wù)器，通過電腦Web端也可以很方便的查看實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)。不但解決了傳統(tǒng)有線系統(tǒng)布線復(fù)雜的問題，而且用戶通過移動(dòng)終端可隨時(shí)隨地的對(duì)植物工廠進(jìn)行監(jiān)控，不再局限于局域網(wǎng)內(nèi)通信，真正意義上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（3）本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)軟件主要包括主控系統(tǒng)軟件設(shè)汁、云端服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)和移動(dòng)客戶端軟件設(shè)計(jì)三大部分。主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選用了以STM32F103RCT6為主控芯片的開源嵌入式硬件平臺(tái)，平臺(tái)為開發(fā)者提供寄存器和庫(kù)函數(shù)兩種開發(fā)方式。同時(shí)還擁有一個(gè)完善的集成開發(fā)環(huán)境uVision5 IDE，該開發(fā)環(huán)境加強(qiáng)了對(duì)Cortex-M微處理器的支持，其開發(fā)語言采用傳統(tǒng)的C/C++語言，開發(fā)環(huán)境提供了系統(tǒng)文件、串口通信軟件以及一些常用的功能軟件。主控系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)主要分為6個(gè)模塊：傳感器通信驅(qū)動(dòng)模塊、強(qiáng)電控制電路、攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊、PWM調(diào)光模塊、LCD顯示屏驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)模塊。云端服務(wù)器軟件選用C#語言實(shí)現(xiàn)，編程環(huán)境是VS2010集成開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。移動(dòng)端軟件分為手機(jī)APP開發(fā)和電腦端Web開發(fā)，手機(jī)端軟件采用Eclipse集成開發(fā)環(huán)境，使用JAVA語言編程，電腦端采用ASP.NET類進(jìn)行頁面的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的通信均采用基于TCP/IP協(xié)議下的socket通信。系統(tǒng)軟件功能模塊如圖3所示。

4、研究結(jié)果

本研究設(shè)計(jì)的基于智能控制和云平臺(tái)技術(shù)的遠(yuǎn)程植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合了大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、智慧農(nóng)業(yè)等技術(shù)，測(cè)量參數(shù)多、測(cè)量精度高，極大的方便了植物工廠管理者對(duì)植物工廠環(huán)境的監(jiān)控，降低了植物工廠管理的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了植物工廠的科學(xué)管理水平和生產(chǎn)效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張浩偉，基于智能控制和云平臺(tái)技術(shù)的遠(yuǎn)程植物工廠系統(tǒng)研究[D]，天津工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]周曼麗，植物工廠環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]，江蘇科技大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：馮艷平（1983—），女，碩士，講師，研究方向：THz成像技術(shù)及圖像處理。

基金項(xiàng)目：2019年度河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目：基于嵌入式和云平臺(tái)技術(shù)的植物工廠智能化系統(tǒng)研究，項(xiàng)目編號(hào)：19A510026