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        植物工廠智能控制系統(tǒng)

        2020-04-24 06:16:04徐云捷顧敏娟應(yīng)宇恒陳廣智惠文豪
        關(guān)鍵詞:環(huán)境參數(shù)工廠電路

        ◎徐云捷 顧敏娟 應(yīng)宇恒 陳廣智 惠文豪

        (作者單位:江蘇大學(xué))

        一、引言

        現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展飛速,許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展成為了強(qiáng)大的支柱產(chǎn)業(yè)并且形成完整的技術(shù)體系。然而我國(guó)的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平相較于發(fā)達(dá)國(guó)家還是存在一些差距的,所以需要在這方面的技術(shù)上多進(jìn)行研究。植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級(jí)發(fā)展階段,利用計(jì)算機(jī)和傳感器或者電路結(jié)構(gòu)等構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng),對(duì)工廠環(huán)境內(nèi)的溫度,濕度,光強(qiáng),二氧化碳濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制,在高精度環(huán)境控制的條件下實(shí)現(xiàn)植物的高效高質(zhì)的生產(chǎn)。高精度的環(huán)境控制使得植物工廠能更好的適應(yīng)對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境有高要求的植物,如人參、靈芝等昂貴藥材以及一些觀賞性植物等。此外,植物工廠對(duì)于普通蔬菜水果的產(chǎn)量和質(zhì)量更是有顯著的保障。植物工廠因?yàn)槠涓咄度?、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系,集生物技術(shù)、工程技術(shù)和系統(tǒng)管理于一體,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來。按計(jì)劃周年性進(jìn)行植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng),是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一,代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

        二、系統(tǒng)框架

        植物工廠智能控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1 所示。

        圖1 系統(tǒng)框架圖

        該系統(tǒng)選擇了以FPGA 作為系統(tǒng)的主控,主要是相較于單片機(jī),DSP 或者嵌入式等技術(shù),F(xiàn)PGA 在設(shè)計(jì)ASIC 方面具有十分靈活的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)應(yīng)用于高端和高精度的監(jiān)控時(shí),會(huì)需要大量的數(shù)據(jù)處理,同時(shí)還需要進(jìn)行通信工作,若使用單片機(jī),則需要較多的定時(shí)器,且需要設(shè)定多個(gè)中斷程序,較為復(fù)雜,而FPGA 正好擁有并行處理的能力,所以選擇了FPGA 作為系統(tǒng)核心。

        系統(tǒng)的輸入分為兩部分,一部分是實(shí)時(shí)工作采集環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器部分,另一部分是控制參數(shù)的輸入,即設(shè)定植物工廠需要的溫度,濕度,光照強(qiáng)度,CO2 濃度等參數(shù)的具體值??刂茀?shù)的輸入部分有三個(gè)來源:本地單片機(jī)控制臺(tái)、基于以太網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)和基于藍(lán)牙通信的網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái),程序設(shè)定中可自行規(guī)定控制臺(tái)等級(jí)和控制臺(tái)開關(guān)權(quán)限。

        系統(tǒng)的輸出分為兩部分,一部分是控制環(huán)境外圍電路的啟動(dòng)部分,另一部分是傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理后得到的環(huán)境參數(shù)。環(huán)境參數(shù)也是輸出至三個(gè)控制臺(tái),以方便監(jiān)測(cè)。

        三、系統(tǒng)工作流程

        植物工廠智能控制系統(tǒng)的工作流程圖如圖2 所示。

        圖2 系統(tǒng)工作流程圖

        植物工廠智能控制系統(tǒng)的工作流程可描述為以下幾個(gè)步驟:

        1.在總電源開啟的情況下,植物工廠內(nèi)的傳感器根據(jù)FPGA 的驅(qū)動(dòng)一直工作,并且傳感器持續(xù)采樣輸出當(dāng)前環(huán)境的參數(shù)值給FPGA。

        2.三路控制臺(tái)在和FPGA 保持通訊的情況下持續(xù)接收FPGA 傳來的環(huán)境參數(shù),若用戶期望當(dāng)前植物工廠環(huán)境參數(shù)為某一特定組合,可以本地或者兩種網(wǎng)絡(luò)方式在控制臺(tái)上自行設(shè)定環(huán)境參數(shù),經(jīng)過通訊輸出給FPGA。

        3.FPGA 接收到控制臺(tái)給定的參數(shù)后和實(shí)際環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比較,進(jìn)行參數(shù)決策以發(fā)出控制信號(hào)給外圍控制電路。外圍控制電路根據(jù)收到的控制信號(hào)啟停相應(yīng)的電路。

        4.外圍電路的啟停工作會(huì)影響環(huán)境參數(shù)發(fā)生改變,改變的環(huán)境參數(shù)會(huì)一直被傳感器采集,進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)中,直到當(dāng)前環(huán)境參數(shù)達(dá)到控制臺(tái)設(shè)定的環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)為止。

        以上對(duì)于系統(tǒng)工作流程的描述大致確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路。

        此外,對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需要注意一些設(shè)計(jì)要點(diǎn):

        1.傳感器的環(huán)境參數(shù)采集需要經(jīng)過濾波,否則冗余和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的摻雜會(huì)導(dǎo)致高端應(yīng)用情況下出現(xiàn)問題。

        2.三路控制臺(tái)設(shè)定環(huán)境參數(shù)需要設(shè)定權(quán)限等級(jí),否則容易產(chǎn)生沖突導(dǎo)致系統(tǒng)卡死。

        3.外圍電路的各個(gè)部分應(yīng)盡量選擇參數(shù)控制相對(duì)隔離的方案,如對(duì)濕度的增大和減小方案不僅應(yīng)內(nèi)部分開,也應(yīng)該減小對(duì)溫度的影響。

        四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

        該系統(tǒng)為智能控制系統(tǒng),主要是因?yàn)閷?duì)比于目前的研究成果,本文提出的系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì):

        1. 以FPGA 的參數(shù)控制決策作為核心進(jìn)行系統(tǒng)控制。對(duì)于外圍電路控制環(huán)境因素的方案,目前很難找到僅僅只影響某一個(gè)環(huán)境因素而不干涉其他因素的方案。有了決策系統(tǒng),系統(tǒng)會(huì)一直進(jìn)行多參數(shù)的同步?jīng)Q策,以動(dòng)態(tài)的調(diào)整環(huán)境參數(shù)達(dá)到平衡。在控制臺(tái)發(fā)出期望參數(shù)之前,只需先設(shè)定合理的參數(shù)值即可。

        2.控制臺(tái)的多元化,其中網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理可以兼容計(jì)算機(jī)等高級(jí)平臺(tái),對(duì)于參數(shù)的監(jiān)控可以程序化托管,方便進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集,完全自動(dòng)化,對(duì)于植物生長(zhǎng)的研究具有重大意義。

        五、結(jié)語(yǔ)

        本文討論了植物工廠智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,描述了包括傳感器,主控芯片,環(huán)境參數(shù)控制電路以及三路控制臺(tái)的功能和特點(diǎn),分析了系統(tǒng)的工作流程和設(shè)計(jì)要點(diǎn),提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)的微型植物工廠模型環(huán)境下進(jìn)行了整體試驗(yàn),基本上完成了系統(tǒng)大部分監(jiān)測(cè)控制等功能。

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