(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

近年來城市化程度越來越深，城市可耕地資源大量減少，人們的生活逐漸遠(yuǎn)離了耕種。在人們的日常飲食中，蔬菜是必不可少的食物，有限的耕地使得城市里的人們只能吃到從市場上買來的蔬菜，但是為了滿足市場需求，目前種植單位普遍采用大棚種菜，為防止蔬菜遭受蟲害，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動下，一些農(nóng)戶隨意使用國家明令禁止的有機(jī)磷劇毒農(nóng)藥，使得蔬菜中有毒物質(zhì)含量嚴(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重影響消費(fèi)者的身體健康[1]。由于蔬菜收獲后技術(shù)設(shè)施和貯藏方法不完善，加上北京、上海、廣州等中心城市高達(dá)50%的果蔬異地流通[2]，落后的物流方式使得蔬菜運(yùn)輸周期長，并且運(yùn)輸過程中蔬菜損耗嚴(yán)重，不能保證新鮮度。近些年來，毒豆芽、毒韭菜等蔬菜安全事件頻頻發(fā)生，蔬菜的安全問題已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注[3]。針對這樣的現(xiàn)狀，筆者設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能可移動的家用種植池，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，大大提高了環(huán)境空間利用率；采用LED植物生長燈作為光源，可保證穩(wěn)定的光合作用來維持種植池內(nèi)蔬菜的正常生長；并通過基于物聯(lián)網(wǎng)的三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)無線傳輸和自動控制，實(shí)時檢測和調(diào)節(jié)蔬菜生長過程中的各種環(huán)境參數(shù)，并由遠(yuǎn)程PC端和移動端對蔬菜的生長過程進(jìn)行監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)了蔬菜的科學(xué)和智慧種植。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置設(shè)計了垂直立體分層種植結(jié)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，主要包括可伸縮透明防護(hù)層、透明伸拉門、主種植池、兩個可伸縮擴(kuò)展種植池、底部萬向輪。本裝置設(shè)計了6層，其中有5層可用于蔬菜種植，最上層用于安裝下層蔬菜生長所需設(shè)備。每層含有一個主種植池和兩個擴(kuò)展種植池，擴(kuò)展種植池可根據(jù)環(huán)境空間進(jìn)行伸縮移動。在裝置中部安裝了環(huán)境溫度傳感器，且每個種植池內(nèi)都合理布設(shè)了土壤濕度傳感器、土壤pH傳感器、二氧化碳濃度傳感器、松土攪棒等。種植池底部結(jié)構(gòu)如圖2所示，在每個種植池底部，安裝有LED植物生長燈、環(huán)形噴灑管道、冷氣/暖氣換氣口以及排水通風(fēng)小洞，用來給下層蔬菜提供所需的生長設(shè)備。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)模型

1.2 控制方案設(shè)計

系統(tǒng)總體控制方案如圖3所示，蔬菜種植池智能監(jiān)測控制系統(tǒng)是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)中感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層體系架構(gòu)[4-6]來設(shè)計的，由監(jiān)測傳輸層、綜合控制層以及遠(yuǎn)程管理層3部分組成。監(jiān)測傳輸層是由種植池環(huán)境參數(shù)傳感器和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感器可以對各種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢測，但要精準(zhǔn)地檢測環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，就需大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)在傳感器節(jié)點(diǎn)上配置了溫度傳感器。pH傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照度傳感器等[7]，傳感器節(jié)點(diǎn)分為電源模塊、ZigBee無線通信芯片CC2530、晶振電路、射頻天線RF共4個部分，用來采集種植池內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時接收由信號轉(zhuǎn)化而來的可識別射頻信號，實(shí)現(xiàn)智能感知環(huán)境變化[8-9]。綜合控制層包括數(shù)據(jù)分析與處理、參數(shù)設(shè)備調(diào)節(jié)2個部分，并將各種參數(shù)的數(shù)據(jù)通過GPRS或WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理層。遠(yuǎn)程管理層設(shè)有上位機(jī)監(jiān)控裝置，對本系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時智能控制。

圖2 池底結(jié)構(gòu)模型

圖3 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，本裝置分為種植池環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)、種植池環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)、無線通信模塊以及監(jiān)控管理中心4個部分。監(jiān)控管理中心由協(xié)調(diào)器CC2530作為主控芯片，與LCD顯示屏和GPRS模塊相連，實(shí)現(xiàn)本地數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

種植池環(huán)境參數(shù)監(jiān)控采用帶CC2530的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)傳送給協(xié)調(diào)器CC2530主控芯片，主控芯片對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，比對各種參數(shù)范圍，發(fā)出相應(yīng)的控制信號，并在LCD液晶顯示屏上顯示各種參數(shù)的變化信息和相應(yīng)調(diào)節(jié)裝置的情況。遠(yuǎn)程PC端和移動端可以通過無線通信模塊接收種植池內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并對參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

2.1 種植池環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)的種植池環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)由種植池環(huán)境參數(shù)傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。種植池環(huán)境參數(shù)傳感器模塊主要包括環(huán)境溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照度傳感器、土壤pH傳感器、二氧化碳傳感器以及相應(yīng)的信號調(diào)節(jié)電路，用于實(shí)時監(jiān)測池內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化。數(shù)據(jù)處理模塊用來處理傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用DS18B20溫度傳感器、Moisture Sensor土壤濕度傳感器、X8W850-H1土壤pH傳感器、SprintIR6S二氧化碳傳感器。數(shù)據(jù)處理模塊采用CC2530芯片，用來處理傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送。CC2530芯片內(nèi)部包含一個增強(qiáng)型的8051控制器，具備豐富的外設(shè)資源，開發(fā)方便，可節(jié)省硬件資源[10]。

2.2 種植池環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)

種植池環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)由種植池環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)裝置和數(shù)據(jù)處理模塊2個部分組成。參數(shù)調(diào)節(jié)模塊含有調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、土壤pH、二氧化碳濃度等參數(shù)的裝置。數(shù)據(jù)處理模塊中的CC2530通過ZigBee模塊對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判別參數(shù)是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，根據(jù)判斷結(jié)果，通過繼電器電路控制各個調(diào)節(jié)設(shè)備的通斷，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用網(wǎng)蜂科技的ZigBee模塊建立星狀傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)傳輸，具有低功耗、低成本、傳輸數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點(diǎn)[11]，它基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研究開發(fā)，系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，設(shè)計和實(shí)現(xiàn)基于CC2530芯片搭建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[12]。

2.4 監(jiān)控管理中心

本系統(tǒng)采用CC2530作為主控芯片，它整合了全集成的高效射頻收發(fā)機(jī)及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器、8 KB的RAM及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)，支持ZigBee及其他所有基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案[13]，具有豐富的增強(qiáng)型GPIO端口，每個GPIO端口可以自由編程，可用于本系統(tǒng)與外部設(shè)備的信息通信[14-15]。終端CC2530通過ZigBee接收到各節(jié)點(diǎn)CC2530控制器處理后的數(shù)據(jù)，并在LCD液晶屏12864上顯示，終端CC2530的串口與GPRS模塊進(jìn)行通信連接，可使遠(yuǎn)程用戶終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收[16]，進(jìn)而構(gòu)成可遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理的系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)作為基本設(shè)計框架，以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)連接構(gòu)成。

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)計基于其無線通信協(xié)議，采用了模塊式的編程技術(shù)來建立無線網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，應(yīng)用此技術(shù)完成了種植池環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)控制程序的設(shè)計以及協(xié)調(diào)器控制程序的設(shè)計。種植池環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)控制流程如圖5所示，當(dāng)判斷已成功加入網(wǎng)絡(luò)后，方可進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的檢測讀取，并將數(shù)據(jù)定時發(fā)送給協(xié)調(diào)器進(jìn)行分析處理。本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制流程框圖如圖6所示，當(dāng)協(xié)調(diào)器查找到網(wǎng)絡(luò)，并接收到了種植池環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，判斷其是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，如果在，則繼續(xù)檢測數(shù)據(jù)，如果不在，則將指定控制信息傳達(dá)到相應(yīng)調(diào)節(jié)裝置的ZigBee接收端，調(diào)節(jié)裝置接收到指令后，會進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制與自動調(diào)節(jié)。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖5 種植池環(huán)境參數(shù)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)控制流程

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計

本裝置的電腦PC端上位機(jī)軟件采用LabVIEW開發(fā)，應(yīng)用LabVIEW設(shè)計的客戶端能夠清晰直觀地觀察各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，可根據(jù)采集來的信息對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裝置發(fā)出相應(yīng)的控制指令[17]，方便用戶進(jìn)行操作。上位機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置界面如圖7所示，數(shù)據(jù)的傳輸由串口通信來實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)通過無線串口軟件與監(jiān)控管理中心的GPRS模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互傳。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制流程

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 環(huán)境參數(shù)和控制調(diào)節(jié)裝置的測試實(shí)驗(yàn)

為了檢測種植池內(nèi)環(huán)境參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和相應(yīng)控制調(diào)節(jié)裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，特對其各種環(huán)境參數(shù)和控制調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了測試。在種植池里合理布設(shè)了環(huán)境溫度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤pH傳感器、二氧化碳傳感器等。本實(shí)驗(yàn)以菠菜為例，根據(jù)菠菜生長過程中的最優(yōu)環(huán)境條件可知，環(huán)境溫度的允許范圍為20～30 ℃，設(shè)置環(huán)境溫度下限警戒值為20 ℃，上限警戒值為30 ℃；土壤濕度的允許范圍為70%～80%，設(shè)置土壤濕度下限警戒值為70%，上限警戒值為80%；土壤pH值的允許范圍7.3～8.2，設(shè)置土壤pH下限警戒值為7.3，上限警戒值為8.2；CO2濃度的允許范圍為6.7～8.5 mg/L，設(shè)置CO2濃度的下限警戒值為6.7 mg/L，上限警戒值為8.5 mg/L。在測試的過程中添加人為干擾，以檢測調(diào)節(jié)裝置的靈敏度，環(huán)境參數(shù)和控制調(diào)節(jié)裝置的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 上位機(jī)智能監(jiān)控界面

測試時間傳感器檢測數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)裝置狀態(tài)溫度值/℃pH值土壤濕度值/%二氧化碳濃度/mg·L-1溫度調(diào)節(jié)裝置pH調(diào)節(jié)裝置土壤濕度調(diào)節(jié)裝置二氧化碳濃度調(diào)節(jié)裝置警示燈報警9:20:00227.0657.5OFFONONOFFpH報警燈,濕度報警燈9:20:30227.1667.4OFFONONOFFpH報警燈,濕度報警燈9:21:00227.2677.4OFFONONOFFpH報警燈,濕度報警燈9:21:30217.3687.2OFFOFFONOFF濕度報警燈9:22:00217.5697.0OFFOFFONOFF濕度報警燈9:22:30207.5706.7OFFOFFOFFOFF無報警9:23:00187.5716.5ONOFFOFFON溫度報警燈,二氧化碳濃度報警燈9:23:30197.5726.6ONOFFOFFON溫度報警燈,二氧化碳濃度報警燈9:24:00207.8726.7OFFOFFOFFOFF無報警9:24:30218.0726.8OFFOFFOFFOFF無報警9:25:00218.2726.8OFFONOFFOFFpH報警燈9:25:30218.1736.8OFFOFFOFFOFF無報警

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)設(shè)置了每隔30 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，通過監(jiān)控傳感器的讀數(shù)和遠(yuǎn)程用戶終端，可以實(shí)時的獲取環(huán)境溫度值、土壤pH值、土壤濕度值以及CO2濃度值等環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)通過ZigBee無線通信技術(shù)傳輸給主控芯片，主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，啟動相應(yīng)的調(diào)節(jié)裝置。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，無線傳輸?shù)乃俾士?，?shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備響應(yīng)及時。經(jīng)測試，環(huán)境溫度誤差處于1 ℃之內(nèi)，土壤濕度誤差處于2%范圍內(nèi)，pH值誤差處于±0.1范圍內(nèi)，CO2濃度誤差在±0.4 mg/L范圍內(nèi)，遠(yuǎn)程上位機(jī)運(yùn)行正常，滿足了蔬菜種植生長的監(jiān)控和調(diào)節(jié)需求。

5.2 本裝置對植物生長及品質(zhì)的影響

為了驗(yàn)證本裝置的實(shí)用性和突出優(yōu)勢，特與傳統(tǒng)種植進(jìn)行了試驗(yàn)對比。以菠菜種植為例，試驗(yàn)分為兩組，第一組在本裝置中進(jìn)行，第二組在室外自然環(huán)境下進(jìn)行。本裝置中溫度控制在20～23 ℃，每天光照時長為12 h，生長環(huán)境的濕度、二氧化碳濃度等控制在最適條件下，另一組在自然環(huán)境下進(jìn)行種植。本試驗(yàn)于2018年12月至2019年1月在上海市上海海洋大學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地及實(shí)驗(yàn)室中完成。

5.2.1 不同處理環(huán)境下菠菜生育期的測試

菠菜生育期包括播種期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期和收獲期4個階段，菠菜種子選取優(yōu)質(zhì)的“三季豐菠菜王 F1”品種。本研究測試時間從2018年12月4日菠菜種子播種后開始計時，一直到菠菜收獲期開始時結(jié)束。不同處理環(huán)境下菠菜生育期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，由表2可以看出，在本裝置各種最適生長環(huán)境以及LED穩(wěn)定光源的環(huán)境中菠菜的營養(yǎng)生長期較自然環(huán)境下早6 d，生殖生長期較自然環(huán)境下早7 d。

5.2.2 不同處理環(huán)境下菠菜株高的測試

不同處理環(huán)境下菠菜株高的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。在兩種生長環(huán)境下，根據(jù)表1測得的兩種狀態(tài)下菠菜總的生育期時長，選取生育期第4、14、24、34 d測量菠菜的株高。由圖8可以看出，生長14 d時，各處理株高的增幅最大，隨著菠菜生育期的延長，各處理株高的增長速率呈下降的趨勢，且在不同的生長階段，在本裝置環(huán)境下的株高明顯大于自然環(huán)境下的株高。

表2 不同處理環(huán)境下菠菜生育期調(diào)查

圖8 不同處理環(huán)境對菠菜株高的影響

5.2.3 不同處理環(huán)境下菠菜莖粗的測試

不同處理環(huán)境下菠菜莖粗的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。在兩種生長環(huán)境下，根據(jù)表1測得的兩種狀態(tài)下菠菜總的生育期時長，選取生育期第4、14、24、34 d測量菠菜的莖粗。由圖9可以看出，在菠菜整個生長過程中，在本裝置環(huán)境下的莖粗都要大于在自然環(huán)境下的莖粗，隨著菠菜生育期的延長，各處理的莖粗差值也逐漸增大。

圖9 不同處理環(huán)境對菠菜莖粗的影響

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，本裝置可以保證蔬菜穩(wěn)定的生長環(huán)境，縮短蔬菜的生育期，蔬菜長勢較自然環(huán)境下更加突出明顯。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能可移動的家用種植池，該裝置采用可分層伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理布設(shè)LED植物生長燈、環(huán)形噴灑管道、冷氣/暖氣換氣口、排水口等蔬菜生長所需設(shè)備。通過三層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，利用ZigBee無線通信技術(shù)，對蔬菜生長環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和調(diào)節(jié)，并設(shè)計了便于用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問與管理的LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)了蔬菜種植過程的全自動。通過菠菜在不同環(huán)境下生長情況的對比試驗(yàn)，該裝置可實(shí)現(xiàn)蔬菜的穩(wěn)定生長，縮短生育期，具有良好的推廣和應(yīng)用價值。