家庭微縮農(nóng)園智能監(jiān)控系統(tǒng)研制

駱飛，徐海斌

(江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 淮安 223001)

近年來，隨著我國城市化快速發(fā)展，集約化的建設(shè)導(dǎo)向加重了城市的轆集和擁擠，同時(shí)因?yàn)榭蛇_(dá)性、歸屬性等問題[1]，城市中存在著部分區(qū)域被荒棄閑置，未得到應(yīng)有的開發(fā)利用。常年穿行在高樓林立、車水馬龍的人們越發(fā)憧憬在不放棄都市便利生活的同時(shí)也能親近田園，在閑暇之余體驗(yàn)農(nóng)事，賦予閑置的碎片化空間景觀體驗(yàn)，還能普及農(nóng)業(yè)知識(shí)，起到智識(shí)教育功能[2]。因此，開展能滿足這種新生活方式的家庭農(nóng)園便應(yīng)運(yùn)而生[3-4]，如美國人設(shè)計(jì)的“一米園地(square foot garden)”“鮑德溫家庭菜園”風(fēng)靡網(wǎng)絡(luò)，受到世界各地人們的喜愛和效仿。此外，在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，家庭農(nóng)園被政府和企業(yè)作為田園綜合體產(chǎn)業(yè)鏈打造的其中一部分，能加強(qiáng)家庭農(nóng)園消費(fèi)者對于田園綜合體的用戶黏性和價(jià)值認(rèn)同感，對農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的補(bǔ)鏈、強(qiáng)鏈、延鏈和城市綠化發(fā)展起到重要作用。

目前國內(nèi)外學(xué)者開展家庭農(nóng)園研究主要集中在農(nóng)園的概念內(nèi)涵[4-5]、景觀設(shè)計(jì)[6]、路徑探索[7-9]、建議對策[4，8-9]等方面，在家庭農(nóng)園的關(guān)鍵技術(shù)研究和小型化、微型化智能裝備研制上較少，形成的農(nóng)業(yè)傳感器、信息通訊、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)成果主要應(yīng)用在連棟大棚、日光溫室生產(chǎn)中，能適用于家庭農(nóng)園的設(shè)施裝備卻很少。

本文通過查閱文獻(xiàn)，借鑒前人研究的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[10-13]，結(jié)合天臺(tái)、庭院、陽臺(tái)等開放、封閉或者半封閉空間的特殊環(huán)境需求，以智能化、裝配式、景觀化、低碳化的理念和物聯(lián)網(wǎng)等工程化手段，開展適用于家庭微縮農(nóng)園的關(guān)鍵技術(shù)研究，設(shè)計(jì)一種家庭微縮農(nóng)園的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 箱體方案設(shè)計(jì)

因?yàn)榭紤]到家庭農(nóng)園的面積都不會(huì)很大，本文稱之為家庭微縮農(nóng)園。所以家庭農(nóng)園智能監(jiān)控系統(tǒng)在滿足功能設(shè)計(jì)的情況下，系統(tǒng)應(yīng)微型化、小型化，盡量不占陽臺(tái)面積。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸為深350 mm×寬350 mm×高500 mm，最終成型如同床頭柜的大小，不占空間，方便移動(dòng)或拆卸。材質(zhì)選擇亞格力板，顏色為乳白色，內(nèi)置20 L的長方體營養(yǎng)液罐。系統(tǒng)整體面板厚度5 mm，底部厚度20 mm，正面棱角做半徑2 mm的圓角處理，底部加裝(前)2只萬向輪(帶剎車)，(后)2只固定輪；正面與右側(cè)面板挖空后處理使用螺絲加裝面板，使之可拆卸；頂部水箱部分頂板加裝鉸鏈與把手使之可開啟。正面面板垂直開孔4 mm安裝LED指示燈(1 紅色：power，3 藍(lán)色：清水灌溉，肥水灌溉，水箱補(bǔ)水)，3只水平開孔16 mm紅色按鍵(清水灌溉，肥水灌溉，水箱補(bǔ)水)，最右側(cè)為電源開關(guān)按鍵。右側(cè)底部開孔安裝電源插口，傳感器插口，進(jìn)水口，出水口。箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Box structure diagram

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

家庭微縮農(nóng)園智能監(jiān)控系統(tǒng)主要是以可編程控制器(PLC)為控制單元，借助傳感器、信息通訊和計(jì)算機(jī)，替代傳統(tǒng)的人工控制模式。該監(jiān)控系統(tǒng)主要是由農(nóng)園測控系統(tǒng)、Web服務(wù)層、電腦端服務(wù)和手機(jī)移動(dòng)端服務(wù)組成，其系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System architecture diagram

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)園測控系統(tǒng)主要有農(nóng)園小氣候環(huán)境信息采集系統(tǒng)、土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)控?cái)z像機(jī)(海康威視CS-H6C)、營養(yǎng)液灌液位檢測系統(tǒng)、水肥智能滴灌系統(tǒng)、智能控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。家庭農(nóng)園中空氣溫度、濕度、日照強(qiáng)度與時(shí)長、土壤水分、土壤溫度、電導(dǎo)率(EC值)、pH值等多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)通過RS485協(xié)議采集后由可編程邏輯控制器臺(tái)達(dá)DVP-SA2進(jìn)行處理，整個(gè)系統(tǒng)采用低成本、低功耗、多參數(shù)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備和具有多種通信接口的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和 Wi-Fi 相結(jié)合的多級網(wǎng)絡(luò)，一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，另一方面通過GPRS或Wi-Fi模塊將各環(huán)境參數(shù)上傳至Web服務(wù)器，同時(shí)接收來自服務(wù)器的控制命令[14-15]。Web服務(wù)器配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和顯示。服務(wù)終端可以通過電腦、手機(jī)APP或者微信小程序登錄查看農(nóng)園各環(huán)境參數(shù)。當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)將警報(bào)信息發(fā)送到用戶手機(jī)，及時(shí)提醒用戶到農(nóng)園查看。

2.1 農(nóng)園小氣候環(huán)境信息采集系統(tǒng)

針對不同家庭空間及環(huán)境差異，以及高溫、植株和墻體影響無線信號(hào)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，篩選了適用于家庭微縮農(nóng)園空氣溫濕度、光照、CO2等小氣候參數(shù)專用單因子或多因子檢測傳感器，并安裝了監(jiān)控?cái)z像機(jī)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集農(nóng)園小氣候環(huán)境信息和圖像。比如，當(dāng)出現(xiàn)高溫等異常時(shí)，會(huì)將警報(bào)信息發(fā)送到用戶手機(jī)，提醒用戶及時(shí)開窗通風(fēng)降溫。

2.2 土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括土壤溫度傳感器、EC傳感器、濕度傳感器和pH傳感器。為提高準(zhǔn)確性，每一個(gè)種植箱采用一組監(jiān)測系統(tǒng)，每一個(gè)通道各由一個(gè)土壤溫濕度變送器、 EC變送器、pH變送器組成。

2.3 營養(yǎng)液灌液位檢測系統(tǒng)

營養(yǎng)液罐液位檢測系統(tǒng)由液位傳感器、營養(yǎng)液罐最低液位控制開關(guān)和營養(yǎng)液罐最高液位控制開關(guān)組成。當(dāng)營養(yǎng)液灌液位低于液位下限時(shí)，營養(yǎng)液罐最低液位控制開關(guān)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，停止灌溉，并將警報(bào)信號(hào)發(fā)送到用戶手機(jī)上，提醒用戶補(bǔ)充營養(yǎng)液；當(dāng)營養(yǎng)液罐液位高于最高液位上限時(shí)，營養(yǎng)液罐最高液位控制開關(guān)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并停止補(bǔ)液。液位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測營養(yǎng)液罐液位。

2.4 水肥智能滴灌系統(tǒng)

水肥智能滴灌系統(tǒng)可以進(jìn)行清水灌溉與營養(yǎng)液灌溉，控制模式主要分為現(xiàn)場手動(dòng)、遠(yuǎn)程、自動(dòng)等3種控制方式，且具備自動(dòng)補(bǔ)水、自動(dòng)停水、提醒加藥功能。自動(dòng)控制是根據(jù)墑情、時(shí)間與作物生長周期的綜合判斷輸出控制結(jié)果，當(dāng)檢測到土壤濕度不在農(nóng)園作物種植所需濕度范圍內(nèi)時(shí)，服務(wù)器在接收信號(hào)后會(huì)下發(fā)相應(yīng)的控制命令，停止或開啟灌溉。營養(yǎng)液和水路功能設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 營養(yǎng)液和水路設(shè)計(jì)Fig.3 Nutrient solution and waterway design

3 軟件功能設(shè)計(jì)

家庭微縮農(nóng)園智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控終端可以分為上位機(jī)顯示模塊、下位機(jī)控制模塊和數(shù)據(jù)通信模塊等3個(gè)功能模塊[16-17]。

3.1 上位機(jī)顯示模塊

電腦端服務(wù)組件或手機(jī)移動(dòng)端服務(wù)組件接收來自數(shù)據(jù)通信模塊采集到的各種類傳感器信號(hào)(溫度、濕度、光照、pH值、EC值等)，可以登錄電腦端或者手機(jī)移動(dòng)端隨時(shí)訪問系統(tǒng)所有運(yùn)行狀態(tài)信息和生長環(huán)境信息；該顯示模塊包括用戶登錄注冊、運(yùn)行參數(shù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶信息管理和系統(tǒng)設(shè)置功能，用戶能夠通過PC端服務(wù)組件或者移動(dòng)終端服務(wù)組件在任何具備網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方遠(yuǎn)程訪問農(nóng)園信息，也可點(diǎn)擊界面上導(dǎo)出數(shù)據(jù)按鈕把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel進(jìn)行查看和處理，顯示終端和信息查詢界面如圖4所示。

圖4 顯示終端和信息查詢界面Fig.4 Display terminal and information query interface

3.2 下位機(jī)控制模塊

通過RS485協(xié)議采集傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到的反饋信息可在電腦端或者手機(jī)移動(dòng)端安裝的軟件上輸入相應(yīng)的控制參數(shù)后通過臺(tái)達(dá)DVP-SA2控制器下發(fā)指令給相應(yīng)的控制單元，從而完成對數(shù)據(jù)/視頻圖像采集和傳輸、營養(yǎng)液/清水灌溉等控制。控制參數(shù)輸入界面如圖5所示。

圖5 配置參數(shù)界面Fig.5 Configuration parameter interface

在軟件開發(fā)時(shí)增加了手動(dòng)、自動(dòng)模式切換功能，可根據(jù)用戶需求自行選擇可選配置[17-18]。控制指令下發(fā)界面如圖6所示。

圖6 控制指令下發(fā)界面Fig.6 Control command delivery interface

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

內(nèi)網(wǎng)通訊采用lora無線制式ModBus協(xié)議；外網(wǎng)通訊支持全網(wǎng)WCDMA、LTE FDD、GPRS/EDGE、EVDO、TD-SCDMA、CDMA1X、LTE TDD；支持Wi-Fi IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)；功能主要有訪問數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)傳輸和故障報(bào)警。監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.7 System software functional structure

4 樣機(jī)試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的家庭微縮農(nóng)園智能監(jiān)控系統(tǒng)在淮安市農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家稻麥科研育種創(chuàng)新基地生活區(qū)二層小樓陽臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)，樣機(jī)測試如圖8所示。

圖8 樣機(jī)測試Fig.8 Prototype test

在試驗(yàn)過程中，對其通信穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、PC端服務(wù)組件和移動(dòng)終端服務(wù)組件行了測試[15-16]，微縮農(nóng)園智能監(jiān)控系統(tǒng)樣機(jī)一直處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)通信成功率為98%以上，土壤溫度誤差為0.6 ℃，土壤濕度誤差為0.4%，EC控制精度誤差為0.07 mS·cm-1，pH值控制精度誤差為0.02，灌溉量控制精度誤差為0.8%，其余各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。系統(tǒng)運(yùn)行至今，工作一切正常，能夠滿足家庭農(nóng)園種植需求，可以進(jìn)一步對其推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)論

本研究在前期工作中集成了很多環(huán)境因子傳感器，但目前只實(shí)現(xiàn)根據(jù)營養(yǎng)液液位、土壤溫濕度、pH值、EC值這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行灌溉控制，后續(xù)研究中會(huì)開展根據(jù)光照、空氣溫濕度、系統(tǒng)能耗等參數(shù)，研究不接入市電的情況下，利用太陽能發(fā)電給裝置供電、陽臺(tái)窗戶增加放風(fēng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、家用廚余處理等設(shè)施配套；目前裝置箱體是自行開模安裝，裝置體積還不夠小，成本較高，在得到市場認(rèn)可后，批量生產(chǎn)就需要找相關(guān)企業(yè)專門進(jìn)行具體的模具開發(fā)，可進(jìn)一步降低應(yīng)用成本，裝備擁有更小的外形，使用簡便，符合家庭陽臺(tái)等更廣應(yīng)用場景的需求。

本研究設(shè)計(jì)了一種高安全性、高可靠性、微型化、低成本的家庭微縮農(nóng)園智能監(jiān)控系統(tǒng)，并確保了樣機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定。主要適用于天臺(tái)、庭院和陽臺(tái)等場景應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測和自動(dòng)生產(chǎn)管理，著力解決了家庭園藝裝備嚴(yán)重缺乏、用戶管理耗時(shí)耗力等問題。