家用植物種植遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 登 周漢清 余 宏

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

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家用植物種植遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 登 周漢清 余 宏

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

設(shè)計(jì)一套家用植物種植遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，包含本地端控制器、云端服務(wù)器、手機(jī)移動(dòng)端設(shè)備三大模塊，本地端以STM32為控制核心，云端服務(wù)器采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，移動(dòng)端采用手機(jī)Android平臺(tái)。系統(tǒng)可在本地和遠(yuǎn)程手機(jī)客戶端通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)工作方式進(jìn)行植物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制，保障室內(nèi)植物健康成長(zhǎng)。

STM32處理器； Apache Mina； 手機(jī)Android； 植物種植； 遠(yuǎn)程智能控制

0 引言

隨著人們生活品質(zhì)和審美情趣不斷提升，綠色、健康、智能的家庭植物種植平臺(tái)將有很大的市場(chǎng)空間。將互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端和智能控制結(jié)合起來(lái)是家庭植物種植發(fā)展的趨勢(shì)。目前，植物種植平臺(tái)主要沿著適用于工廠化生產(chǎn)的大型植物種植平臺(tái)[1]和適用于家庭的微型植物種植平臺(tái)兩個(gè)方向發(fā)展[2-4]。日本、荷蘭、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在這兩個(gè)方向都基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)對(duì)植物種植平臺(tái)相關(guān)技術(shù)的研究起步較晚，但近幾年也取得了一些成果。

從國(guó)內(nèi)微型植物工廠研究成果來(lái)看，在現(xiàn)階段的國(guó)內(nèi)家用微型植物工廠控制系統(tǒng)研究中，多采用PLC作為控制器，控制靈活性、擴(kuò)展性差。在目前的遠(yuǎn)程控制架構(gòu)方案中，大多采用GPRS電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互聯(lián)互通，面臨通信速度慢、實(shí)時(shí)性差等缺陷[5]。也有采用本地嵌入式WEB服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，面臨互聯(lián)網(wǎng)接入不方便、移動(dòng)性差等缺陷。這些因素都使得家庭微型植物工廠控制系統(tǒng)復(fù)雜笨重，成本較高，不利于家庭推廣。

本文在吸收前人研究技術(shù)的基礎(chǔ)上采用云端服務(wù)器，通過(guò)Apache Mina網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序架構(gòu)，負(fù)責(zé)與本地控制器通信，交換數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時(shí)與基于Android的移動(dòng)手機(jī)APP端智能終端通信。系統(tǒng)架構(gòu)科學(xué)高效、可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、控制靈活方便、成本低廉，系統(tǒng)用戶容量大。同時(shí)，系統(tǒng)還具備簡(jiǎn)潔美觀的人機(jī)交互界面，舒適便捷的人機(jī)交互體驗(yàn)，滿足了現(xiàn)代人家用植物種植和現(xiàn)代先進(jìn)電子產(chǎn)品諸如手機(jī)APP端的體驗(yàn)需求。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

家用植物種植智能控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示，包括本地控制器、云端服務(wù)器、智能終端設(shè)備三大模塊：本地控制器可以在本地完成顯示與人機(jī)交互控制任務(wù)，也可以與遠(yuǎn)端智能終端設(shè)備通信，向遠(yuǎn)端智能終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，接收遠(yuǎn)端智能終端設(shè)備的數(shù)據(jù)。本地控制器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，連接至云端服務(wù)器；云端服務(wù)器采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架，負(fù)責(zé)與本地控制器通信，交換數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時(shí)與遠(yuǎn)端智能終端通信；遠(yuǎn)端智能終端(手機(jī))通過(guò)云端服務(wù)器與本地控制器交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示與控制。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是本地端控制器硬件設(shè)計(jì)及制作：包含CPU模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、輸出控制模塊、人機(jī)交互顯示觸控模塊以及無(wú)線wifi通信模塊的器件選型、原理圖和PCB設(shè)計(jì)。

CPU模塊采用STM32F103ZET6處理器，如圖2所示。

圖2 STM32F103ZET6處理器

電源模塊采用12 V開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)AMS1117芯片轉(zhuǎn)成5 V和3.3 V，為繼電器、傳感器和處理器供電，如圖3所示。

圖3 電源模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器、PM2.5傳感器、甲醛傳感器等。通過(guò)這些傳感器采集環(huán)境參數(shù)，PM2.5和光強(qiáng)傳感器采用I2C總線接口與STM32處理器通信，溫濕度傳感器AM2301和甲醛傳感器使用了異步串行口與STM32串口通信，如圖4所示。

輸出控制模塊共六組，每組都是通過(guò)光耦PC817隔離驅(qū)動(dòng)繼電器控制外接澆灌、通風(fēng)、加濕、補(bǔ)光等電器開(kāi)關(guān)。具體電路如圖5所示，Relay1接STM32GPIO口，通過(guò)IO控制光耦驅(qū)動(dòng)繼電器K1的開(kāi)關(guān)達(dá)到對(duì)外圍電路的通斷控制。

圖5 輸出控制模塊

人機(jī)交互顯示觸控模塊硬件采用DGUS迪文7英寸人機(jī)交互觸摸屏。如圖6所示，DGUS屏是RS232接口，通過(guò)Max232芯片對(duì)STM32的usart1 TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，達(dá)到處理器和顯示屏的控制電平匹配，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

圖6 人機(jī)交互顯示觸控模塊

Wifi通信模塊采用了有人物聯(lián)網(wǎng)公司的高速度低功耗串口Wifi透?jìng)髂KUSR-C322，支持AP模式和STA模式。通過(guò)該模塊，配置其工作在STA模式，可以將本地控制器通過(guò)串口發(fā)送AT命令方式連接到Wifi網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)本地控制器和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如圖7所示。

圖7 wifi通信模塊

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要是本地端控制器、云端服務(wù)器、智能手機(jī)終端設(shè)備的程序設(shè)計(jì)，包含植物種植智能控制系統(tǒng)控制策略和通信協(xié)議的制定、DGUS變量組態(tài)屏開(kāi)發(fā)、本地端控制程序的開(kāi)發(fā)、服務(wù)器端程序的開(kāi)發(fā)以及智能手機(jī)終端APP的開(kāi)發(fā)。

3.1 控制策略

控制策略是對(duì)系統(tǒng)本地、遠(yuǎn)程以及手動(dòng)、自動(dòng)各個(gè)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行功能設(shè)定，確定各個(gè)控制邏輯和需要達(dá)到的控制目標(biāo)等。

1)澆灌(內(nèi)部設(shè)置)：夏天一天兩次，每次15分鐘，上午7：00～7：15，下午19：00～19：15；春秋天兩天一次，每次15分鐘，上午7：00～7：15；冬天三天一次，每次15分鐘，中午12：00～12：15。

2)通風(fēng)(與水幕聯(lián)動(dòng)，澆灌通路2)：一天一次，每次1小時(shí)，中午12：30～13：30。

3)補(bǔ)光(內(nèi)部設(shè)置)：一天兩次，每次2小時(shí)，上午6：00～8：00，下午18：00～20：00

4)溫度(攝氏)：低于18℃冷；8℃到28℃之間舒適；高于28℃炎熱。

5)相對(duì)濕度：低于50%干燥；50%到68%之間舒適；高于68%潮濕。

6)甲醛：低于0.08ppm正常；0.08到<0.1之間預(yù)警；高于0.1超標(biāo)。

7)PM2.5：指數(shù)0～50，正常；50～100，預(yù)警；高于100，超標(biāo)。

8)系統(tǒng)通過(guò)上述自動(dòng)控制策略進(jìn)行澆灌、補(bǔ)光等控制核參數(shù)監(jiān)測(cè)，也可通過(guò)本地端或手機(jī)端手動(dòng)控制澆灌、補(bǔ)光等任務(wù)。

3.2 通信協(xié)議

通信協(xié)議的制定主要是對(duì)本地端和服務(wù)器以及手機(jī)端和服務(wù)器之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式進(jìn)行規(guī)定，便于控制過(guò)程中進(jìn)行解析。

3.2.1 本地端向服務(wù)器發(fā)送報(bào)文類型和格式

1)注冊(cè)報(bào)文(類型代碼1，值為0x01)

3B報(bào)文頭6BMAC地址1B類型碼12BCRC163B報(bào)文尾

應(yīng)答參數(shù)報(bào)文(類型代碼2，值為0x02)

3B報(bào)文頭6BMAC地址1B類型碼21B提示代碼1B狀態(tài)代碼4B甲醛1B3BPM2．51B4B澆灌1B5B溫度1B2B濕度1B1B4B補(bǔ)光2BCRC163B報(bào)文尾

2)應(yīng)答控制確認(rèn)報(bào)文(類型代碼3，值為0x03)

3報(bào)文頭6MAC地址1類型碼32CRC163報(bào)文尾

3.2.2 服務(wù)器向下位機(jī)發(fā)送報(bào)文類型和格式

1)注冊(cè)確認(rèn)報(bào)文(類型代碼1，值為0x01)

3報(bào)文頭6BMAC地址1B類型碼12BCRC163B報(bào)文尾

2)向下位機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)(類型代碼2，值為0x02)

3報(bào)文頭6MAC地址1類型碼22CRC163 報(bào)文尾

3)向下位機(jī)發(fā)控制命令(類型代碼3，值為0x03)

3B報(bào)文頭6BMAC地址1B類型碼31B濕度1B甲醛1B澆灌1B補(bǔ)光1B保留1B保留2BCRC163B報(bào)文尾

3.2.3 報(bào)文類型和格式說(shuō)明

1)報(bào)文頭和報(bào)文尾都是3個(gè)字節(jié)，并且內(nèi)容相同，為：0x55，0xAA，0x55。

2)采用CRC16校驗(yàn)，校驗(yàn)內(nèi)容：不含報(bào)文頭、報(bào)文尾，從MAC地址開(kāi)始，至校驗(yàn)位前的所有數(shù)據(jù)。

3)提示代碼和狀態(tài)代碼等按照不同的控制對(duì)象和邏輯區(qū)分進(jìn)行各自編碼，“B”代表Byte，一個(gè)字節(jié)。

3.3 DGUS變量組態(tài)屏開(kāi)發(fā)

DGUS變量組態(tài)屏開(kāi)發(fā)主要是對(duì)UI界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)顯示變量進(jìn)行變量組態(tài)開(kāi)發(fā)。如圖8所示，通過(guò)DGUS軟件的變量配置、觸控配置等功能進(jìn)行本地端登錄界面、主界面、wifi登錄、數(shù)字鍵盤(pán)等控制界面的參數(shù)配置，方便本地端STM32控制程序的開(kāi)發(fā)。同時(shí)供本地端控制程序?qū)Ω鞣綌?shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理顯示，是整個(gè)系統(tǒng)本地端人機(jī)交互和顯示樞紐。

圖8 DGUS變量組態(tài)屏開(kāi)發(fā)

3.4 本地端控制程序的開(kāi)發(fā)

作為核心控制器的本地端控制流程圖如圖9所示，系統(tǒng)主函數(shù)包含5個(gè)處理函數(shù)，其具體以功能如下：Init函數(shù)主要是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、片上外圍接口、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、觸摸屏應(yīng)用等進(jìn)行軟硬件初始化；UITaskHandler函數(shù)完成UI界面處理功能，其任務(wù)是對(duì)迪文觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、UI界面提示處理；appTaskHandler函數(shù)負(fù)責(zé)用戶應(yīng)用層處理任務(wù)，主要是進(jìn)行環(huán)境算法評(píng)估、自動(dòng)控制任務(wù)處理；nwkTaskHandler函數(shù)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)，包含Wifi模塊初始化及與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接、網(wǎng)絡(luò)連接后數(shù)據(jù)的收發(fā)處理；SYS_TimerTaskHandler函數(shù)完成定時(shí)或周期執(zhí)行任務(wù)管理，在函數(shù)中定義了2秒、3秒和5秒三個(gè)周期調(diào)用節(jié)點(diǎn)，2秒鐘周期調(diào)用用于讀取更新各種環(huán)境參數(shù)，3秒鐘周期調(diào)用用于RTC更新和屏幕顯示刷新，5秒鐘周期調(diào)用用于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并維護(hù)在線時(shí)網(wǎng)絡(luò)心跳。

3.5 服務(wù)器端程序開(kāi)發(fā)

服務(wù)器采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架，負(fù)責(zé)與本地控制器通信，交換數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，用于協(xié)調(diào)本地端和手機(jī)移動(dòng)端的協(xié)同工作，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)棧。服務(wù)器實(shí)時(shí)接收本地端發(fā)送的報(bào)文，將報(bào)文發(fā)送至手機(jī)APP端。同時(shí)也在實(shí)時(shí)接收手機(jī)APP端發(fā)送的報(bào)文，將報(bào)文發(fā)送至本地端。

圖9 本地端控制流程圖

3.6 手機(jī)終端APP程序開(kāi)發(fā)

手機(jī)端采用Android程序，是本地端UI界面的遠(yuǎn)程控制移動(dòng)版，主要是與服務(wù)器通信，從而完成與本地端數(shù)據(jù)的通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互顯示和觸控功能。

4 產(chǎn)品調(diào)試

將本地控制器軟硬件、服務(wù)器程序、手機(jī)APP段程序分別調(diào)試準(zhǔn)備好以后，進(jìn)行了系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試。如圖10所示，系統(tǒng)可以對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行本地觸摸屏和遠(yuǎn)程手機(jī)APP檢測(cè)和智能控制，也可以通過(guò)手機(jī)APP對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)和智能控制。同時(shí)系統(tǒng)可在本地和遠(yuǎn)程通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)工作方式對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行澆灌、補(bǔ)光、加濕、通風(fēng)等操作，為植物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，保障室內(nèi)植物健康成長(zhǎng)。

圖10 系統(tǒng)實(shí)物圖和手機(jī)控制界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于Apache Mina及手機(jī)Android的家用植物種植遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，控制器以STM32位控制核心，系統(tǒng)可在本地和遠(yuǎn)程手機(jī)客戶端通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)工作方式進(jìn)行植物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制，保障室內(nèi)植物健康成長(zhǎng)。系統(tǒng)主要用于現(xiàn)代家用植物種植領(lǐng)域的智能化管理，可延伸至現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域如室外大棚種植管理等，也可用于環(huán)境惡劣地區(qū)的室內(nèi)作物種植管理，具備良好的推廣前景。

[1] 張曉慧，周增產(chǎn)，王峻峰，等．植物工廠關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]．北方園藝，2010(4)：204-207．

[2] 孫剛，鄭文剛，喬曉軍，等．一種密閉式微型植物工廠：中國(guó)，201120171443[P].2012-01-04．

[3] 商守海，周增產(chǎn)，卜云龍，等．JPWZ-1型微型植物工廠的研制[J]．農(nóng)業(yè)工程，2012(1)：44-47．

[4] 魏靈玲，楊其長(zhǎng)，段發(fā)民，等．一種微型蔬菜工廠：中國(guó)，201010225792.4[P].2011-01-02．

[5] 周曼麗，姜文剛.基于嵌入式Web 服務(wù)器的植物工廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化， 2011(5)：90-95.

[責(zé)任編輯：李娟]

Design of Remote Intelligent Control System for Household Plants

XU Deng ZHOU Hanqing YU Hong

(College of Information Engineering，Changzhou Institute of Mechatronic Technology， Changzhou 213164， China)

A set of remote intelligent control system for household plants is developed， which includes the local terminal controller， cloud server， mobile terminal equipment three modules. The local terminal controller uses the STM32 as processor. The cloud Server uses Apache Mina structure. The mobile terminal uses the Android platform. This system can be used in local and remote mobile client through manual or automatic mode of operation of plant growth environment monitoring and control， to guarantee the healthy growth of indoor plants.

STM32 Processor; apache Mina; mobile Android; household plants; remote intelligent control

2017-02-16

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)重點(diǎn)課題(2016ZDKJ03)

徐 登(1982-)，男，講師，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

TP 273

A

1672-2434(2017)02-0019-06