基于嵌入式和云平臺技術的植物工廠智能化系統研究

【摘 要】本文設計的系統采用STM32主控板，集成了ESP8266網絡通信模塊、LCD液晶顯示模塊、攝像頭模塊、LED驅動電源模塊和幾種常見的環境傳感器，并結合PID控制算法，實現了對植物工廠內光照的精確控制。能夠隨時隨地的通過電腦和手機對植物工廠系統在線監測和控制。

【關鍵詞】嵌入式;云平臺;植物工廠;智能控制

1、研究背景和意義

傳統的農業種植模式己經不能夠滿足社會發展的需要，如何利用先進的科學技術以最少的人力、物力進行高質量的植物種植將是未來農業發展方向和研究重點。植物工廠是環境參數可控的設施農業，可通過中心計算機對植物生長發育所需要的溫度、濕度、光照度及二氧化碳濃度等環境因子進行智能控制，由于植物工廠系統的可控性，在一定程度上減少了植物生長、生產在區域和氣候上的影響，這是一種融合了計算機技術、傳感器技術、農業應用技術、網絡通信技術和物聯網技術、是科學技術密度高、不受或極少受氣候及環境影響和制約的高精度、高效率農業生產系統。

2、研究內容

本論文結合嵌入式、無線通信、云平臺技術等，設計了一種植物工廠管理系統硬件平臺，實現了環境因子參數的采集、存儲及控制，并可通過PWM調光技術，結合PID控制算法實現系統的恒照度調光。同時開發了系統應用軟件平臺，實現了通過遠程客戶端對植物工廠環境參數的實時監測和控制功能。

本系統主控芯片選擇STM公司的32位單片機STM32103RCT6，傳感器模塊采集植物工廠內溫濕度、光照度和CO2濃度，溫濕度傳感器選用DHT11模塊，該模塊內部集成溫濕度感應元件，能夠精準的獲取環境的溫濕度。光照傳感器選用GY-30模塊，CO2濃度傳感器選用雙通道傳感器MG-811，能夠準確快速的獲取空氣中的二氧化碳濃度或含量。無線接入模塊使用ESP8266WiFi模塊，通過主控芯片MCU的串口2與無線模塊通信，無線模塊接入本地路由，進而接入無線網絡實現傳感器節點的無線傳輸。繼電器模塊選用電磁繼電器，負責控制相應的執行機構。云端進行數據的存儲、歸類、分發，并負責其他相關信息的收集和信息發布。自主開發移動客戶端，用戶可以在任何有網絡的地方通過手機APP或者PC端網頁查看植物工廠內的環境參數，用戶還可根據顯示的實時數據作出判斷，發出控制命令，結合設定的控制算法控制執行機構動作，達到植物工廠內環境參數的調節。

3、本系統設計的關鍵技術

（1）系統總體架構設計：系統采用嵌入式設計方案，分為硬件電路設計和主控軟件設計兩大部分。因系統功能需要，硬件電路需同時連接溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、顯示器模塊、時鐘模塊、網絡模塊及強電控制電路等多個外圍電路，所以選擇了功能較為強大的STM32F103控制芯片作為控制核心。且該芯片具有寄存器和軟件庫兩種開發方式，主控程序選用C語言為基礎的KEIL5為集成開發環境。

本系統主要包括主控電路模塊、電源模塊、傳感器模塊、攝像頭模塊、時鐘模塊、LCD顯示屏模塊、網絡通信模塊及強電驅動電路。主控模塊是整個控制系統的核心。電源模塊分為系統電源模塊和LED模組電源兩部分。傳感器模塊包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器，用于系統的環境參數采集。攝像頭模塊用于實時獲取環境圖片。時鐘模塊用于記錄采集環境參數的時間。LCD顯示模塊用于實時顯示環境參數和調試信息。網絡通信模塊采用無線WiFi，方便設備用于接入internet。強電驅動電路采用繼電器模塊，通過低壓5V電路控制高壓220V電壓設各，各個模塊既相對獨立又相互關聯，與主控芯片一起構成了系統電路。系統的功能模塊如圖1所示。

（2）系統硬件電路架構設計：設計的植物工廠系統是遠距離的監控系統，傳輸協議是TCP/IP協議，各個部分之間通過TCP協議下的socket進行網絡通信的。系統采用WiFi無線方式接入網絡，因此需要附近有路由器等網絡設備的支持。在實地生產環境使用時可以采用多點部署，即可以同時對多個植物工廠進行監控，也可以對同一植物工廠的不同部署點進行監控。系統硬件電路架構設計如圖2所示。

將系統安裝到實際生產環境后，當地網絡設備會為每個植物工廠內的系統或者一個植物工廠內的多個節點系統分配一個唯一的IP地址，并且通過ESP8266 WiFi模塊接入到本地路由器，路由器接入部署好的云服務端。用戶的手機、電腦等終端只要能夠接入網絡，均可以查看和控制植物工廠相應系統的環境參數。開發了手機移動端APP，下載安裝APP就可通過手機移動客戶端軟件查看控制植物工廠內環境參數，同時可控制其溫室內的光照、通風等設備。結合數據庫開發了Web頁面，部署了IIS服務器，通過電腦Web端也可以很方便的查看實時環境參數和歷史數據。不但解決了傳統有線系統布線復雜的問題，而且用戶通過移動終端可隨時隨地的對植物工廠進行監控，不再局限于局域網內通信，真正意義上實現了遠程監控。

（3）本系統軟件設計：系統軟件主要包括主控系統軟件設汁、云端服務器軟件設計和移動客戶端軟件設計三大部分。主控系統軟件設計選用了以STM32F103RCT6為主控芯片的開源嵌入式硬件平臺，平臺為開發者提供寄存器和庫函數兩種開發方式。同時還擁有一個完善的集成開發環境uVision5 IDE，該開發環境加強了對Cortex-M微處理器的支持，其開發語言采用傳統的C/C++語言，開發環境提供了系統文件、串口通信軟件以及一些常用的功能軟件。主控系統軟件部分設計主要分為6個模塊：傳感器通信驅動模塊、強電控制電路、攝像頭驅動模塊、PWM調光模塊、LCD顯示屏驅動、時鐘驅動模塊。云端服務器軟件選用C#語言實現，編程環境是VS2010集成開發環境，實現數據的存儲和轉發。移動端軟件分為手機APP開發和電腦端Web開發，手機端軟件采用Eclipse集成開發環境，使用JAVA語言編程，電腦端采用ASP.NET類進行頁面的設計。整個系統的通信均采用基于TCP/IP協議下的socket通信。系統軟件功能模塊如圖3所示。

4、研究結果

本研究設計的基于智能控制和云平臺技術的遠程植物工廠監控系統，結合了大數據、云平臺、智慧農業等技術，測量參數多、測量精度高，極大的方便了植物工廠管理者對植物工廠環境的監控，降低了植物工廠管理的勞動強度，提高了植物工廠的科學管理水平和生產效率。

【參考文獻】

[1]張浩偉，基于智能控制和云平臺技術的遠程植物工廠系統研究[D]，天津工業大學，2017.

[2]周曼麗，植物工廠環境控制系統的設計[D]，江蘇科技大學，2012.

作者簡介：馮艷平（1983—），女，碩士，講師，研究方向：THz成像技術及圖像處理。

基金項目：2019年度河南省高等學校重點科研項目：基于嵌入式和云平臺技術的植物工廠智能化系統研究，項目編號：19A510026