蔬菜工廠監控系統研究與實現

成立鵬，劉向明，馬建設

1.武漢工程大學機電工程學院 湖北 武漢 430205；2.清華大學深圳研究生院 廣東 深圳 518055

蔬菜工廠監控系統研究與實現

成立鵬1，劉向明1，馬建設2

1.武漢工程大學機電工程學院 湖北 武漢 430205；2.清華大學深圳研究生院 廣東 深圳 518055

積分球內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計熱載荷并進行熱穩態仿真分析，以得到整個燈座的模擬溫度場分布.然后利用ANSYS軟件的多目標驅動優化分析工具，對燈座模擬溫度場中的最高溫度點（區域）進行結構優化設計，以降低燈座的最高溫度.最后在實驗條件下，調節程控直流電源，加載最大設計電功率，驗證熱穩態下整個燈座的實際溫度分布，并與仿真進行比較.結果表明，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，經優化后的燈座最高溫度明顯降低.

積分球；LED光源；燈座；多目標驅動優化分析；優化設計

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點，代表著世界農業未來的發展方向［1］.其中，使用人工合成自然光、密閉式的植物工廠通過對環境因素的適度控制，能夠提供植物生長較為理想的生長環境，將成為植物工廠發展的一個重要模式［2］.本文采用了一種基于Web的蔬菜工廠監控系統，本系統能夠使管理者在任何可以接入互聯網的地方，對蔬菜工廠中蔬菜的生長狀況進行監視，并根據具體情況，改變蔬菜工廠內的環境狀態，改善工作人員的工作方式，提高工作效率.

1 監控系統結構

如圖1所示，基于Web的蔬菜工廠監控系統由Web服務器，無線通信網絡，終端設備三部分組成.其中，終端設備由作為控制器的單片機，傳感器模組和執行機構模組三部分組成.

Web服務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.無線通信網絡使用在物聯網領域較為流行的ZigBee技術來實現，用于建立Web服務器和終端設備之間，控制命令和數據傳輸通道.終端設備用于實時采集蔬菜工廠中的環境參數，并根據來自Web服務器的設定值進行調控.由于本系統數據傳輸量較小，因此，Web服務器與ZigBee網絡之間使用操作簡單、穩定可靠的RS232來進行控制命令和蔬菜工廠內環境數據的傳輸.

圖1 基于Web的蔬菜工廠監控系統框架Fig.1Architecture of monitoring system of vegetable factory based on Web

2 Web服務器的功能與實現

系統中實現的Web服務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服務器的網站簡介頁面，查看蔬菜工廠的簡要信息；訪問實時監控頁面，查看蔬菜工廠內蔬菜的生長狀況及蔬菜工廠內的環境狀況；訪問歷史數據頁面，查看蔬菜的生長過程記錄.管理員具有更多的操作權限，能夠查看各個終端執行機構的工作狀況；根據蔬菜工廠內的當前狀況及作物的生長規律，對蔬菜工廠內的環境參數控制量進行設置.

為了實現上述功能，本系統中的Web服務器使用SSH這一常用的開發框架［3］，即將Struts、Spring和Hibernate這三種框架進行整合開發.如圖2所示，Web服務器由頁面視圖層、action控制器層、service業務層、DAO數據訪問層、domain領域對象層構成，每一層通過調用下一層來實現其功能.

圖2 Web服務器程序設計框架Fig.2Application software framework of Web server

Struts框架負責管理頁面視圖層與action控制層之間的請求與響應的交互；Spring框架負責action控制層，Service業務層和DAO數據訪問層的組件管理；Hibernate框架負責為DAO數據訪問層和domain領域對象層提供支持，實現DAO數據訪問層和domain領域對象層對MYSQL數據庫的訪問［4］，其結構圖如圖2所示.

根據訪問者的不同身份，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，通過調用service業務層的方法，來處理來自訪問者的不同請求，并根據處理結果，向頁面視圖層返回不同的頁面.service業務層針對來自action控制層的請求，向控制終端發送控制命令或訪問數據庫，對用戶的請求進行處理.DAO數據訪問層通過面向對象的方式，為其上各層提供對數據庫的訪問操作.Domain對象領域層包含了系統中最基本的操作對象所對應的類，并通過Hibernate框架的支持［5］，將其映射成MYSQL數據庫中對應的數據表.

所監控的蔬菜工廠由5個種植房間構成，每個房間有3至5個種植架，每個種植架由4個種植層構成，種植層為基本監控單位，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測點來收集溫濕度數據并在房間中布置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液循環.在Web服務器的程序設計時，為實現對各個參數的監控及數據管理，對蔬菜工廠建模，抽象出房間類（room）、種植架類（shelf）、種植層（plantUnit）、溫濕度數據類（tempHum）、CO2濃度類（CO2Density）、營養液循環泵控制類（pumpCtrl）、LED燈板控制類（LEDCtrl）、時間類（time）這幾個類.各個類之間的關聯如圖3所示.

圖3 蔬菜工廠基本類圖關系Fig.3Entity relationship diagram of monitoring system of vegetable system

3 無線通信網絡

系統，使用搭載ZigBee協議棧的CC2530來構建無線通信網絡［6］.由于Web服務器與終端控制設備之間的數據數據傳輸量較少，因此，本文使用操作簡便，穩定可靠的RS232作為Web服務器與協調器之間的數據傳輸方式.

4 終端設備

終端設備由單片機、傳感器模組和執行機構模組三部分組成.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，CO2補充裝置及可調強度的LED燈板組成.單片機接收來自傳感器的數據，并將數據發送給無線網絡終端節點，經由ZigBee無線網絡，上傳到Web服務器.同時，單片機從ZigBee無線網絡終端節點接收來自Web服務器的控制命令，控制相應的執行單元來調整房間中的相應環境參數.

5 系統的運行

系統以工控機為硬件平臺，使用Tomcat作為Web程序的運行容器.本系統運行后，可以通過瀏覽器方便，便捷的從本地或遠程連接到Web服務器，查看蔬菜工廠內的環境因素的當前值和設定值.使用普通用戶身份登錄后，可以通過“實時監測”頁面查看蔬菜工廠內蔬菜的生長狀況及蔬菜工廠內的環境狀況，如圖4所示.

使用管理員身份登錄后，可以通過“系統設置”頁面查看蔬菜工廠內各環境參數的當前設定值并根據需要改變設定值，如圖5所示.

圖4 “實時監測”頁面視圖Fig.4Page of real－time monitoring

圖5 “系統設置”頁面Fig.5Page of system setting

6 結語

實踐表明，當該系統運行后，蔬菜工廠管理人員可以方便的通過本地主機瀏覽器或遠方的主機上的瀏覽器對蔬菜工廠內的情況進行觀察，并根據需要調整蔬菜工廠內的各環境參數的值，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.基于無線傳感網的蔬菜工廠智能監控系統設計［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.基于物聯網的蔬菜工廠監控系統［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架構的Web應用開發［J］.計算機與網絡，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企業應用實戰［M］.北京：電子工業出版社，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對象持久化技術詳解［M］.北京：電子工業出版社，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數據采集系統設計［J］.計算機技術與發展，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.