植物工廠智能控制系統

◎徐云捷 顧敏娟 應宇恒 陳廣智 惠文豪

（作者單位：江蘇大學）

一、引言

現代設施農業發展飛速，許多發達國家已經將設施農業發展成為了強大的支柱產業并且形成完整的技術體系。然而我國的設施農業發展水平相較于發達國家還是存在一些差距的，所以需要在這方面的技術上多進行研究。植物工廠是設施農業的高級發展階段，利用計算機和傳感器或者電路結構等構成一個系統，對工廠環境內的溫度，濕度，光強，二氧化碳濃度以及營養液等環境參數進行檢測和控制，在高精度環境控制的條件下實現植物的高效高質的生產。高精度的環境控制使得植物工廠能更好的適應對生長環境有高要求的植物，如人參、靈芝等昂貴藥材以及一些觀賞性植物等。此外，植物工廠對于普通蔬菜水果的產量和質量更是有顯著的保障。植物工廠因為其高投入、高技術、精裝備的生產體系，集生物技術、工程技術和系統管理于一體，使農業生產從自然生態束縛中脫離出來。按計劃周年性進行植物產品生產的工廠化農業系統，是農業產業化進程中吸收應用高新技術成果最具活力和潛力的領域之一，代表著未來農業的發展方向。

二、系統框架

植物工廠智能控制系統的系統框架如圖1 所示。

圖1 系統框架圖

該系統選擇了以FPGA 作為系統的主控，主要是相較于單片機，DSP 或者嵌入式等技術，FPGA 在設計ASIC 方面具有十分靈活的優勢。系統應用于高端和高精度的監控時，會需要大量的數據處理，同時還需要進行通信工作，若使用單片機，則需要較多的定時器，且需要設定多個中斷程序，較為復雜，而FPGA 正好擁有并行處理的能力，所以選擇了FPGA 作為系統核心。

系統的輸入分為兩部分，一部分是實時工作采集環境數據的傳感器部分，另一部分是控制參數的輸入，即設定植物工廠需要的溫度，濕度，光照強度，CO2 濃度等參數的具體值。控制參數的輸入部分有三個來源：本地單片機控制臺、基于以太網通信的網絡控制臺和基于藍牙通信的網絡控制臺，程序設定中可自行規定控制臺等級和控制臺開關權限。

系統的輸出分為兩部分，一部分是控制環境外圍電路的啟動部分，另一部分是傳感器監控數據處理后得到的環境參數。環境參數也是輸出至三個控制臺，以方便監測。

三、系統工作流程

植物工廠智能控制系統的工作流程圖如圖2 所示。

圖2 系統工作流程圖

植物工廠智能控制系統的工作流程可描述為以下幾個步驟：

1.在總電源開啟的情況下，植物工廠內的傳感器根據FPGA 的驅動一直工作，并且傳感器持續采樣輸出當前環境的參數值給FPGA。

2.三路控制臺在和FPGA 保持通訊的情況下持續接收FPGA 傳來的環境參數，若用戶期望當前植物工廠環境參數為某一特定組合，可以本地或者兩種網絡方式在控制臺上自行設定環境參數，經過通訊輸出給FPGA。

3.FPGA 接收到控制臺給定的參數后和實際環境參數進行比較，進行參數決策以發出控制信號給外圍控制電路。外圍控制電路根據收到的控制信號啟停相應的電路。

4.外圍電路的啟停工作會影響環境參數發生改變，改變的環境參數會一直被傳感器采集，進入系統的循環中，直到當前環境參數達到控制臺設定的環境參數范圍內為止。

以上對于系統工作流程的描述大致確定了系統設計的思路。

此外，對于系統的設計還需要注意一些設計要點：

1.傳感器的環境參數采集需要經過濾波，否則冗余和錯誤數據的摻雜會導致高端應用情況下出現問題。

2.三路控制臺設定環境參數需要設定權限等級，否則容易產生沖突導致系統卡死。

3.外圍電路的各個部分應盡量選擇參數控制相對隔離的方案，如對濕度的增大和減小方案不僅應內部分開，也應該減小對溫度的影響。

四、系統設計優勢

該系統為智能控制系統，主要是因為對比于目前的研究成果，本文提出的系統具有以下優勢：

1. 以FPGA 的參數控制決策作為核心進行系統控制。對于外圍電路控制環境因素的方案，目前很難找到僅僅只影響某一個環境因素而不干涉其他因素的方案。有了決策系統，系統會一直進行多參數的同步決策，以動態的調整環境參數達到平衡。在控制臺發出期望參數之前，只需先設定合理的參數值即可。

2.控制臺的多元化，其中網絡控制臺對于數據的處理可以兼容計算機等高級平臺，對于參數的監控可以程序化托管，方便進行大量數據采集，完全自動化，對于植物生長的研究具有重大意義。

五、結語

本文討論了植物工廠智能控制系統的設計方案，描述了包括傳感器，主控芯片，環境參數控制電路以及三路控制臺的功能和特點，分析了系統的工作流程和設計要點，提出了系統設計的優勢。在設計的微型植物工廠模型環境下進行了整體試驗，基本上完成了系統大部分監測控制等功能。