張子華李曉月張林杰魏冉明張煜榮王啟璠馮凱祺

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124；2.北京亦莊數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施科技發(fā)展有限公司，北京 100176)

在傳統(tǒng)農(nóng)耕文明中，食物的生產(chǎn)依賴陽光、土壤，然而，由于自然災(zāi)害因素的影響，食物生產(chǎn)往往會(huì)受到極大的沖擊，尤其是城市地區(qū)的食品供應(yīng)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，植物工廠[1-3]的推廣應(yīng)用為糧食安全提供了一條新出路。植物工廠使用大量先進(jìn)技術(shù)[4-7]不僅可以大幅度提升糧食蔬菜的產(chǎn)能，還可以做到穩(wěn)定持續(xù)[8]的生產(chǎn)。

植物工廠是對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的一種革新。植物工廠的高效生產(chǎn)離不開溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)[9-11]的精準(zhǔn)控制，在達(dá)到所設(shè)定的環(huán)控條件后，植物工廠便能夠采用工廠化的生產(chǎn)方式進(jìn)行輪作式生產(chǎn)。但在此之前，在市面上還沒有完善的監(jiān)管工具，大多數(shù)植物工廠需要額外耗費(fèi)大量人力物力。為解決這些問題，本研究把單一的傳感器通過Arduino開發(fā)板進(jìn)行集成化操作，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)[12-14]技術(shù)手段實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)傳感器的環(huán)境變量變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更高效的環(huán)境變量監(jiān)測(cè)和提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于植物工廠環(huán)境變量參數(shù)監(jiān)測(cè)，南京大學(xué)的趙云霞[15]教授指出，我國在植物工廠的植物栽培技術(shù)方面已經(jīng)非常成熟。無土栽培、水培等技術(shù)已經(jīng)完全應(yīng)用，但我國植物工廠卻面臨自動(dòng)化、智能化程度低，對(duì)外界環(huán)境控制有限，植物工廠技術(shù)體系尚不完善等問題。這一系列未解決的問題有待于植物工廠多環(huán)境變量智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究。

Dzaky等[16]研究了一套經(jīng)濟(jì)靈活的微型植物工廠以適應(yīng)城市地區(qū)環(huán)境，其傳感器和執(zhí)行器與Agrieye Cloud系統(tǒng)集成，用于監(jiān)測(cè)和控制，并可自主執(zhí)行數(shù)據(jù)檢索和驅(qū)動(dòng)，Mini Plant Factory通過每5min自動(dòng)捕獲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。Mulowayi等[17]則是針對(duì)植物工廠中的照明系統(tǒng)開發(fā)出“可移動(dòng)向下照明結(jié)合補(bǔ)光可調(diào)側(cè)式照明系統(tǒng)”(C-S)和無補(bǔ)光側(cè)式照明系統(tǒng)(N-S)。Nugroho等[18]等在植物工廠中采用了立體攝像機(jī)并且基于深度感知實(shí)現(xiàn)了植物生長監(jiān)測(cè)。蘇州大學(xué)的管理[19]基于LabVIEW平臺(tái)建立了植物生長環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)于提高單位面積的耕地作物產(chǎn)物、實(shí)行立體式的種植以及利用家庭庭院、室內(nèi)種植等具有重要指導(dǎo)意義。來自浙江大學(xué)的余洋[20]搭建了植物工廠系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用樹莓派作為主控制器，搭載多型傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物工廠環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)，并通過PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)設(shè)備的自動(dòng)調(diào)控，同時(shí)開發(fā)了上位機(jī)軟件系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的變化，發(fā)送異常數(shù)據(jù)提示短信，查詢歷史數(shù)據(jù)或調(diào)整控制參數(shù)。

綜上所述，本文旨在開發(fā)基于微控制器的環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，其中包括下位機(jī)和上位機(jī)2部分。下位機(jī)是Arduino數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制技術(shù)；上位機(jī)則是基于Java開發(fā)的Android移動(dòng)端APP，用于接收下位機(jī)發(fā)送的環(huán)境參數(shù)并以折線圖形式展示。同時(shí)，上位機(jī)還能向下位機(jī)發(fā)送遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠環(huán)境的精確控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體分為下位機(jī)和上位機(jī)2個(gè)部分。

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊由通訊模塊、Arduino開發(fā)板、多路環(huán)境變量傳感器等模塊構(gòu)成，上位機(jī)客戶端是基于Java語言開發(fā)的Android APP。在該系統(tǒng)中，環(huán)境變量傳感器用于監(jiān)測(cè)6種環(huán)境參數(shù)，并通過模擬信號(hào)的形式傳輸至Arduino開發(fā)板。Arduino開發(fā)板負(fù)責(zé)對(duì)接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行解析和處理，并借助通訊模塊將經(jīng)過處理的模擬數(shù)值以無線信號(hào)的方式發(fā)送至上位機(jī)?；贘ava開發(fā)的Android客戶端實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收、處理、實(shí)時(shí)顯示、控制和存儲(chǔ)等功能。通過后臺(tái)邏輯設(shè)計(jì)，手機(jī)客戶端APP以簡潔的操作界面形式呈現(xiàn)給管理者。用戶只需安裝控制軟件并登錄系統(tǒng)，即可對(duì)植物工廠內(nèi)的環(huán)境變量參數(shù)進(jìn)行智能監(jiān)管和控制。

圖1 植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2 分模塊功能設(shè)計(jì)

本研究旨在利用智能測(cè)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠內(nèi)多個(gè)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下。

1.2.1 下位機(jī)Arduino模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)Arduino模塊系統(tǒng)主要包括2個(gè)功能部分：接收傳感器采集和發(fā)送的環(huán)境變量數(shù)據(jù)部分，以及控制植物工廠通風(fēng)系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的部分。具體架構(gòu)如圖2所示。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能時(shí)，導(dǎo)入傳感器的庫函數(shù)，調(diào)用庫函數(shù)，經(jīng)過對(duì)傳感器以及WiFi模塊的初始化送數(shù)據(jù)的函數(shù)，將數(shù)據(jù)以字符串?dāng)?shù)組的形式向上位機(jī)發(fā)送。在設(shè)計(jì)控制功能時(shí)，通過WiFi模塊接收和解碼下位機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過函數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)LED燈以及風(fēng)機(jī)模塊的舵機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)植物工廠對(duì)多變量環(huán)控系統(tǒng)中控制功能要求。

圖2 Arduino下位機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.2 上位機(jī)Android客戶端APP模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)部分主要對(duì)控制模塊、顯示模塊、設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)庫進(jìn)行界面設(shè)計(jì)與開發(fā)，具體功能框架如圖3所示。本系統(tǒng)在手機(jī)APP進(jìn)行多環(huán)境變量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新與曲線化展示，方便植物工廠管理者實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠內(nèi)各項(xiàng)變量參數(shù)，從而進(jìn)行相應(yīng)操作，對(duì)植物工廠進(jìn)行精準(zhǔn)把控，滿足實(shí)際需求。

圖3 手機(jī)客戶端框架圖

2 多變量環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在植物工廠多變量環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用多種傳感器、控制模塊和通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠多個(gè)環(huán)境變量參數(shù)的采集、控制以及與Android上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。

2.1 Arduino控制中心

Arduino是一款便捷靈活的開源電子原型平臺(tái)，具有用戶范圍廣，可移植性高，安全性強(qiáng)，免費(fèi)開源等特點(diǎn)。包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)2個(gè)部分；硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分是Arduino IDE軟件開發(fā)測(cè)試平臺(tái)，即計(jì)算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，再通過控制其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。Arduino開發(fā)板上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集以及其他裝置的反饋控制。

本系統(tǒng)采用Arduino Mega 2560開發(fā)板，如圖4所示。其基于ATmega 2560處理器，采用USB接口，具有16路模擬輸入和54路數(shù)字輸入/輸出口。Arduino Mega 2560可以自動(dòng)選擇3種供電方式：外部直流電源通過電源插座供電；電池連接電源連接器的GND和VIN引腳；USB接口直流供電。Arduino Mega 2560開發(fā)板具有4路UART接口，1個(gè)16MHz晶體振蕩器，1個(gè)USB口，1個(gè)電源插座，1個(gè)ICSP header和1個(gè)復(fù)位按鈕，具有支持1個(gè)主控板的所有資源。

具體規(guī)格參數(shù)：工作電壓，5V；輸入電壓范圍，6～20V；推薦輸入電壓范圍，7～12V；I/O口的輸出電流，40mA；3.3V管腳的輸出電流，50mA；內(nèi)存空間，256KB；SRAM，8KB；EEPROM，4KB；時(shí)鐘頻率，16MHz。

圖4 Arduino Mega 2560開發(fā)板

2.2 環(huán)境變量監(jiān)測(cè)模塊

植物生長環(huán)境中的環(huán)境變量參數(shù)會(huì)影響植物的生長。在植物工廠中主要對(duì)植物生長環(huán)境中的CO2濃度、有機(jī)物揮發(fā)物濃度、溫濕度、土壤濕度以及光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)使用Arduino開發(fā)板連接SGP30傳感器、DHT11數(shù)字傳感器、土壤濕度傳感器和數(shù)字光照傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變量的監(jiān)測(cè)功能。

SGP30傳感器是一款金屬氧化物氣體傳感器，內(nèi)置了4個(gè)氣體傳感元件。該傳感器具備完全校準(zhǔn)的空氣質(zhì)量輸出信號(hào)功能，如圖5所示。GP30的傳感部分基于金屬氧化物納米顆粒的加熱膜，目標(biāo)氣體會(huì)與金屬氧化物顆粒上吸附的氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而釋放出電子，導(dǎo)致由傳感器測(cè)量的金屬氧化物層的電阻發(fā)生改變。通過電路部分對(duì)電阻進(jìn)行檢測(cè)、信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換，可以輸出：有機(jī)物揮發(fā)物濃度，量程為0～60000ppb；CO2濃度，量程為400～60000ppm。因此該傳感器可以用于本系統(tǒng)進(jìn)行CO2濃度與有機(jī)物揮發(fā)物濃度監(jiān)測(cè)；DHT11數(shù)字傳感器是一款采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)的溫濕度復(fù)合傳感器，如圖6所示。該傳感器包括1個(gè)電阻式測(cè)濕元件和1個(gè)電阻式熱敏測(cè)溫元件，精度高，具有已校準(zhǔn)的數(shù)字輸出信號(hào)，在本系統(tǒng)中，利用DHT11數(shù)字傳感器來檢測(cè)環(huán)境的溫度和濕度。該傳感器的測(cè)量范圍為濕度20%～90% RH和溫度0～50℃，具有較高的分辨率，即濕度1%和溫度1℃。此外，傳感器的精度也相對(duì)較高，濕度精度為±5%，溫度精度為±2℃。土壤濕度傳感器是根據(jù)土壤水分含量與土壤電阻值之間的關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)的，如圖7所示，可以寬范圍監(jiān)測(cè)土壤的濕度，測(cè)量范圍為自定義的0%～100%，通過電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閾值，濕度低于設(shè)定值時(shí)，傳感器輸出高電平，高于設(shè)定值時(shí)，傳感器輸出低電平；數(shù)字光照傳感器是基于半導(dǎo)體的光電效應(yīng)原理設(shè)計(jì)的，集成了數(shù)字環(huán)境光傳感器電路的I2C總線接口，如圖8所示；此外，其光譜響應(yīng)接近視覺靈敏度的分光特性，具有明顯的紅外抑制作用，適合于獲取環(huán)境光數(shù)據(jù)，在高分辨率(1～65535lx范圍)下檢測(cè)光照強(qiáng)度，調(diào)控系統(tǒng)。

圖5 SGP30傳感器

圖6 DHT11數(shù)字傳感器

圖7 土壤濕度傳感器

2.3 環(huán)境變量控制模塊

環(huán)境變量控制模塊包含通風(fēng)系統(tǒng)，補(bǔ)光系統(tǒng)和照明系統(tǒng)3個(gè)部分。通風(fēng)系統(tǒng)通過搭載風(fēng)機(jī)模塊來實(shí)現(xiàn)，模塊如圖9所示。植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后風(fēng)機(jī)模塊一直處于通電狀態(tài)下，通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠中CO2與有機(jī)物揮發(fā)物濃度的動(dòng)態(tài)控制。當(dāng)CO2濃度或有機(jī)物揮發(fā)物濃度超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生脈寬，生成方波控制風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)CO2濃度與有機(jī)物揮發(fā)物濃度均下降到標(biāo)準(zhǔn)值以下后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)停止。補(bǔ)光系統(tǒng)是通過PWM脈寬調(diào)制控制LED燈的亮度的方式實(shí)現(xiàn)，以閉環(huán)控制的方式使植物工廠中的光照強(qiáng)度保持在40000lx左右，模塊如圖10所示。照明系統(tǒng)則能夠?qū)崿F(xiàn)植物工廠照明需求，模塊如圖11所示。

圖9 通風(fēng)系統(tǒng)模塊

圖10 補(bǔ)光系統(tǒng)模塊

圖11 照明系統(tǒng)模塊

2.4 通訊模塊

由于Arduino開發(fā)板不具備無線通訊功能，為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)植物工廠的上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)連接傳輸，本系統(tǒng)選用ESP8266WiFi模塊作為通信模塊，如圖12所示，采用局域網(wǎng)下的WiFi通信方式進(jìn)行通信，并通過Arduino開發(fā)板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。傳輸協(xié)議采用TCP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的數(shù)據(jù)傳輸。TCP傳輸數(shù)據(jù)時(shí)通過超時(shí)重發(fā)、失序處理、重復(fù)處理和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等方式確保植物工廠系統(tǒng)下位機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)無差錯(cuò)，不丟失，不重復(fù)，且按序發(fā)送給上位機(jī)，具有可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。ESP8266WiFi模塊通過AT指令進(jìn)行初始化。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通過ESP8266 AT指令可建立1個(gè)TCP服務(wù)器，且使之能連接多個(gè)TCP客戶端。通過將AT指令交給單片機(jī)進(jìn)行硬件串口編寫，可在通電后自動(dòng)創(chuàng)建1個(gè)WiFi熱點(diǎn)，并將下位機(jī)采集到的環(huán)境變量數(shù)據(jù)以字符串?dāng)?shù)組的形式發(fā)送給上位機(jī)。

圖12 ESP8266WiFi模塊

3 Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 多變量環(huán)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示模塊開發(fā)

植物工廠的多變量環(huán)控系統(tǒng)的顯示模塊包括2個(gè)部分：多環(huán)境變量實(shí)時(shí)顯示模塊和變量曲線顯示模塊。本系統(tǒng)加入變量曲線顯示模塊，將各變量參數(shù)進(jìn)行曲線化展示，能夠使系統(tǒng)管理者更加直觀地監(jiān)管、調(diào)控系統(tǒng)。

管理者需打開手機(jī)客戶端“植物工廠智能調(diào)控”APP，點(diǎn)擊如圖13a所示的跳轉(zhuǎn)界面，APP將根據(jù)后端預(yù)設(shè)端口號(hào)與下位機(jī)IP地址嘗試Socket連接，從而完成與下位機(jī)的通信連接。為實(shí)現(xiàn)植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)與下位機(jī)的通信連接成功，管理者需要保證上位機(jī)客戶端ESP8266WiFi熱點(diǎn)與下位機(jī)處于同一局域網(wǎng)。

圖13 手機(jī)App系統(tǒng)界面

當(dāng)本系統(tǒng)與下位機(jī)成功建立通信，多環(huán)境變量顯示模塊將對(duì)由下位機(jī)發(fā)送的各環(huán)境變量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)更新顯示，在如圖13b所示的顯示界面中，6個(gè)顯示框分別用于實(shí)時(shí)更新顯示溫度、濕度、TVOC濃度、CO2濃度、土壤濕度和光照強(qiáng)度等變量參數(shù)。

當(dāng)6個(gè)顯示框分別顯示對(duì)應(yīng)變量數(shù)據(jù)，在顯示界面任意點(diǎn)擊一個(gè)變量數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)將對(duì)這一環(huán)境變量參數(shù)進(jìn)行曲線化展示，并實(shí)時(shí)更新，如圖13c所示。其中，不同環(huán)境變量參數(shù)分別以不同顏色線條展示以便進(jìn)行區(qū)分，便于管理者更加直觀地了解植物環(huán)境變量參數(shù)的變化，以便管理者對(duì)植物工廠的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，從而進(jìn)行相應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。

圖14 通訊連接裝置

如圖14a所示，當(dāng)手機(jī)客戶端系統(tǒng)與下位機(jī)通信連接建立失敗，操控者需打開如圖14b所示“設(shè)置”界面，確認(rèn)端口號(hào)和IP地址是否與下位機(jī)保持一致，若不一致，操控者可以對(duì)端口號(hào)與IP地址進(jìn)行編輯，點(diǎn)擊“連接按鈕”即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)連接。因此，本系統(tǒng)能夠保證上位機(jī)的適配性與容錯(cuò)性。

3.2 多變量環(huán)控系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)囊括植物工廠通風(fēng)系統(tǒng)、植物工廠照明系統(tǒng)以及植物工廠補(bǔ)光系統(tǒng)3部分。

各控制系統(tǒng)如圖15所示。在植物工廠環(huán)境CO2濃度過高時(shí)，操控者可借植物工廠通風(fēng)系統(tǒng)控制舵機(jī)的啟動(dòng)與停止對(duì)環(huán)境中CO2濃度進(jìn)行調(diào)控；當(dāng)植物工廠中光照強(qiáng)度不足時(shí)，管理者可在手機(jī)端APP提高植物工廠補(bǔ)光系統(tǒng)的光照強(qiáng)度對(duì)植物進(jìn)行多級(jí)補(bǔ)光，保證植物在最適宜光照條件下茁壯成長。

3.3 多變量環(huán)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，采用輕量級(jí)SQLite數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)將從下位機(jī)收集到的6路變量參數(shù)存入SQLite數(shù)據(jù)庫中，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并提出相應(yīng)改良方案。SQLite數(shù)據(jù)庫是Android內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，遵循ACID關(guān)系——事務(wù)，具備持久性、原子性、隔離性、一致性，并且處理速度快，占用資源比重低，數(shù)據(jù)庫界面如圖16所示。

圖16 手機(jī)客戶端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

4 總結(jié)

本文結(jié)合Arduino的下位機(jī)多環(huán)境變量參數(shù)采集系統(tǒng)及環(huán)境變量控制系統(tǒng)和Android開發(fā)的上位機(jī)多環(huán)境變量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，基于ESP8266WiFi模塊的無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠內(nèi)多環(huán)境變量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、智能調(diào)控的功能，所應(yīng)用的數(shù)字技術(shù)將加速設(shè)施農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域各環(huán)節(jié)的數(shù)字化改造，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高植物產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)種植，機(jī)械化管理，為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供智能決策方案，為后續(xù)植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)的研究提供一定的參考。