成立鵬，劉向明，馬建設(shè)

1.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院 湖北 武漢 430205；2.清華大學(xué)深圳研究生院 廣東 深圳 518055

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

成立鵬1，劉向明1，馬建設(shè)2

1.武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院 湖北 武漢 430205；2.清華大學(xué)深圳研究生院 廣東 深圳 518055

積分球內(nèi)部的直插式燈座既不適用于鋁基板式LED光源的安裝，也不能滿足功率型LED光源的散熱要求.針對這一問題，通過三維軟件為積分球設(shè)計一種通用的外接燈座，利用ANSYS軟件的熱分析模塊，對該燈座加載模擬的最大設(shè)計熱載荷并進行熱穩(wěn)態(tài)仿真分析，以得到整個燈座的模擬溫度場分布.然后利用ANSYS軟件的多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析工具，對燈座模擬溫度場中的最高溫度點（區(qū)域）進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以降低燈座的最高溫度.最后在實驗條件下，調(diào)節(jié)程控直流電源，加載最大設(shè)計電功率，驗證熱穩(wěn)態(tài)下整個燈座的實際溫度分布，并與仿真進行比較.結(jié)果表明，實驗得到的燈座溫度場分布與仿真得到的溫度場分布十分接近，經(jīng)優(yōu)化后的燈座最高溫度明顯降低.

積分球；LED光源；燈座；多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化分析；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

植物工廠具有受自然條件影響小、無公害、無污染、自動化程度高、作物生長周期可控等優(yōu)點，代表著世界農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展方向［1］.其中，使用人工合成自然光、密閉式的植物工廠通過對環(huán)境因素的適度控制，能夠提供植物生長較為理想的生長環(huán)境，將成為植物工廠發(fā)展的一個重要模式［2］.本文采用了一種基于Web的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠使管理者在任何可以接入互聯(lián)網(wǎng)的地方，對蔬菜工廠中蔬菜的生長狀況進行監(jiān)視，并根據(jù)具體情況，改變蔬菜工廠內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)，改善工作人員的工作方式，提高工作效率.

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于Web的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)由Web服務(wù)器，無線通信網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備三部分組成.其中，終端設(shè)備由作為控制器的單片機，傳感器模組和執(zhí)行機構(gòu)模組三部分組成.

Web服務(wù)器運行于普通的工控機上，用于處理來自蔬菜工廠管理員和普通用戶的控制請求，并對訪問者的請求進行響應(yīng).無線通信網(wǎng)絡(luò)使用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域較為流行的ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)，用于建立Web服務(wù)器和終端設(shè)備之間，控制命令和數(shù)據(jù)傳輸通道.終端設(shè)備用于實時采集蔬菜工廠中的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)來自Web服務(wù)器的設(shè)定值進行調(diào)控.由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量較小，因此，Web服務(wù)器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間使用操作簡單、穩(wěn)定可靠的RS232來進行控制命令和蔬菜工廠內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸.

圖1 基于Web的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)框架Fig.1Architecture of monitoring system of vegetable factory based on Web

2 Web服務(wù)器的功能與實現(xiàn)

系統(tǒng)中實現(xiàn)的Web服務(wù)器提供管理員和普通用戶兩種訪問模式，并為不同的訪問模式提供不同的功能及交互界面.對于普通用戶，可以通過瀏覽Web服務(wù)器的網(wǎng)站簡介頁面，查看蔬菜工廠的簡要信息；訪問實時監(jiān)控頁面，查看蔬菜工廠內(nèi)蔬菜的生長狀況及蔬菜工廠內(nèi)的環(huán)境狀況；訪問歷史數(shù)據(jù)頁面，查看蔬菜的生長過程記錄.管理員具有更多的操作權(quán)限，能夠查看各個終端執(zhí)行機構(gòu)的工作狀況；根據(jù)蔬菜工廠內(nèi)的當(dāng)前狀況及作物的生長規(guī)律，對蔬菜工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù)控制量進行設(shè)置.

為了實現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)中的Web服務(wù)器使用SSH這一常用的開發(fā)框架［3］，即將Struts、Spring和Hibernate這三種框架進行整合開發(fā).如圖2所示，Web服務(wù)器由頁面視圖層、action控制器層、service業(yè)務(wù)層、DAO數(shù)據(jù)訪問層、domain領(lǐng)域?qū)ο髮訕?gòu)成，每一層通過調(diào)用下一層來實現(xiàn)其功能.

圖2 Web服務(wù)器程序設(shè)計框架Fig.2Application software framework of Web server

Struts框架負(fù)責(zé)管理頁面視圖層與action控制層之間的請求與響應(yīng)的交互；Spring框架負(fù)責(zé)action控制層，Service業(yè)務(wù)層和DAO數(shù)據(jù)訪問層的組件管理；Hibernate框架負(fù)責(zé)為DAO數(shù)據(jù)訪問層和domain領(lǐng)域?qū)ο髮犹峁┲С郑瑢崿F(xiàn)DAO數(shù)據(jù)訪問層和domain領(lǐng)域?qū)ο髮訉YSQL數(shù)據(jù)庫的訪問［4］，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

根據(jù)訪問者的不同身份，在頁面視圖層提供管理員視圖和普通用戶視圖這兩種不同的視圖來處理用戶請求.action控制器層接收來自頁面視圖層的請求，通過調(diào)用service業(yè)務(wù)層的方法，來處理來自訪問者的不同請求，并根據(jù)處理結(jié)果，向頁面視圖層返回不同的頁面.service業(yè)務(wù)層針對來自action控制層的請求，向控制終端發(fā)送控制命令或訪問數(shù)據(jù)庫，對用戶的請求進行處理.DAO數(shù)據(jù)訪問層通過面向?qū)ο蟮姆绞?，為其上各層提供對?shù)據(jù)庫的訪問操作.Domain對象領(lǐng)域?qū)影讼到y(tǒng)中最基本的操作對象所對應(yīng)的類，并通過Hibernate框架的支持［5］，將其映射成MYSQL數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的數(shù)據(jù)表.

所監(jiān)控的蔬菜工廠由5個種植房間構(gòu)成，每個房間有3至5個種植架，每個種植架由4個種植層構(gòu)成，種植層為基本監(jiān)控單位，每個種植層中種植某種蔬菜.每個種植層使用獨立可調(diào)強度的LED燈板模擬蔬菜光合作用所需的光強變化.為了獲取房間內(nèi)溫濕度和獲取房間中CO2的濃度值，在每個種植架上布置一個溫濕度監(jiān)測點來收集溫濕度數(shù)據(jù)并在房間中布置4至6個CO2濃度檢測幾點.每個種植架上有一個泵，控制種植架上各個種植層之間的營養(yǎng)液循環(huán).在Web服務(wù)器的程序設(shè)計時，為實現(xiàn)對各個參數(shù)的監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理，對蔬菜工廠建模，抽象出房間類（room）、種植架類（shelf）、種植層（plantUnit）、溫濕度數(shù)據(jù)類（tempHum）、CO2濃度類（CO2Density）、營養(yǎng)液循環(huán)泵控制類（pumpCtrl）、LED燈板控制類（LEDCtrl）、時間類（time）這幾個類.各個類之間的關(guān)聯(lián)如圖3所示.

圖3 蔬菜工廠基本類圖關(guān)系Fig.3Entity relationship diagram of monitoring system of vegetable system

3 無線通信網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)，使用搭載ZigBee協(xié)議棧的CC2530來構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)［6］.由于Web服務(wù)器與終端控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸量較少，因此，本文使用操作簡便，穩(wěn)定可靠的RS232作為Web服務(wù)器與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)傳輸方式.

4 終端設(shè)備

終端設(shè)備由單片機、傳感器模組和執(zhí)行機構(gòu)模組三部分組成.傳感器模組由溫度傳感器，濕度傳感器，CO2傳感器和光照強度傳感器組成.控制器模組由單片機和溫度控制系統(tǒng)，CO2補充裝置及可調(diào)強度的LED燈板組成.單片機接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點，經(jīng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，上傳到Web服務(wù)器.同時，單片機從ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點接收來自Web服務(wù)器的控制命令，控制相應(yīng)的執(zhí)行單元來調(diào)整房間中的相應(yīng)環(huán)境參數(shù).

5 系統(tǒng)的運行

系統(tǒng)以工控機為硬件平臺，使用Tomcat作為Web程序的運行容器.本系統(tǒng)運行后，可以通過瀏覽器方便，便捷的從本地或遠(yuǎn)程連接到Web服務(wù)器，查看蔬菜工廠內(nèi)的環(huán)境因素的當(dāng)前值和設(shè)定值.使用普通用戶身份登錄后，可以通過“實時監(jiān)測”頁面查看蔬菜工廠內(nèi)蔬菜的生長狀況及蔬菜工廠內(nèi)的環(huán)境狀況，如圖4所示.

使用管理員身份登錄后，可以通過“系統(tǒng)設(shè)置”頁面查看蔬菜工廠內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的當(dāng)前設(shè)定值并根據(jù)需要改變設(shè)定值，如圖5所示.

圖4 “實時監(jiān)測”頁面視圖Fig.4Page of real－time monitoring

圖5 “系統(tǒng)設(shè)置”頁面Fig.5Page of system setting

6 結(jié)語

實踐表明，當(dāng)該系統(tǒng)運行后，蔬菜工廠管理人員可以方便的通過本地主機瀏覽器或遠(yuǎn)方的主機上的瀏覽器對蔬菜工廠內(nèi)的情況進行觀察，并根據(jù)需要調(diào)整蔬菜工廠內(nèi)的各環(huán)境參數(shù)的值，改善了管理人員的工作方式，提高了管理人員的工作效率.

致謝

清華大學(xué)深圳研究生院的師生和工程師給與了較大的支持和幫助，在此向他們表示衷心的謝意.

［1］馬正華，宋磊，焦竹青，等.基于無線傳感網(wǎng)的蔬菜工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化與儀表，2013（11）：20－24.

MA Zheng-hua，SONG Lei，JIAO Zhu－qing，et al.Design of smart monitoring and control system for vegetables factory based on wireless sensor network［J］.Automation＆Instrumentation，2013(11)：20－24.（in Chinese）

［2］毛曉燕.基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)［J］.輕工機械，2012，4（1）：34－37.

MAO Xiao-yan.Monitor＆control system based on IOT in agriculture factory［J］.Light Industry Machinery，2012，4（1）：34－37.（in Chinese）

［3］趙勇，李鑫，智立甫.基于SSH架構(gòu)的Web應(yīng)用開發(fā)［J］.計算機與網(wǎng)絡(luò)，2013（13）：67－69.

ZHAO Yong，LI Xing，ZHI Li-pu.Development of web application based on SSH framework［J］.Comput＆Network，2013（13）：67－69.（in Chinese）

［4］李剛.輕量級Java EE企業(yè)應(yīng)用實戰(zhàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

LI Gang.Lightweight Java EE for enterprise development［M］.BeiJing：Publishing House of Electronics Industry，2011.（in Chinese）

［5］孫立琴.精通Hibernate：Java對象持久化技術(shù)詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

SUN Li-qing.Master Hibernate：discovering details of Java persistent object technique［M］.BeiJing:Publishing House of Electronics Industry，2005.（in Chinese）

［6］蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，22（11）：197－200.

CAI Li-ting，CHEN Ping-hua，LUO Bin，et al.Design of data acquisition system for ZigBee based on chip CC2530［J］.Computer Techology and Development，2012，22（11）：197－200.（in Chinese）

Monitoring system of vegetable factory based on Web server

CHENG Li-peng1,LIU Xiang-ming1,MA Jian-she2
1.School of Mechanical Electrical Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China; 2.Graduate School at Shenzhen,Tsinghua University,Shenzhen 518055,China

Aimed at the difficult operation and low work efficiency in monitoring and management in common vegetable factory,MyEclipse was used as development tool and Struts+Spring+Hibernate was used as framework to develop a monitoring system based on Internet.Data related to vegetable growth were collected and transferred to Web server which made decisions on the basis of acquired data and settings.Decisions were sent to actuators to adjust related parameters.The monitoring system adopted can be accessed locally or remotely by managers to monitor the conditions of vegetable and to set new settings.Data related to vegetable growth were saved automatically by Web server and can be analyzed later.Practice indicates that monitoring system of vegetable factory made management convenient and effective.

vegetable factory;monitoring system;ZigBee network

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.008

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0035－04

2014－12－19

劉向明（1953-），男，湖北武漢人，教授，碩士.研究方向：精密儀器控制.