基于Android手機的植物工廠多變量環控系統設計

摘要：旨在開發一種智能的環境控制系統，進一步優化植物生長條件，提高作物產量。在系統設計中結合現代傳感器技術、數據分析方法和移動通信技術，將Android 手機作為用戶界面，實時監控植物工廠內部的溫度、濕度、光照、營養液等數據。基于此，研究植物工廠多變量環控系統總體架構，明確分模塊功能，設計健全的多變量環控系統，進一步開發Android 手機應用。結果表明，基于Android 手機的植物工廠多變量環控系統能夠顯著提高植物生長的穩定性，為現代農業生產提供創新的解決方案。

關鍵詞：植物工廠；環境控制；Android 手機；傳感器技術；智能農業

中圖分類號：TP273；S24 文獻標識碼：A

0 引言

隨著全球人口增長和氣候變化，傳統農業面臨資源短缺、環境污染和產量下降等嚴峻挑戰，植物工廠作為一種高效、環保的農業生產模式，逐漸受到廣泛關注。而植物工廠的運營高度依賴環境控制，如何實現精準、高效的多變量環境控制成為制約其發展的技術瓶頸。傳統植物工廠環控系統通常采用集中式控制架構，存在系統復雜、成本高昂、維護困難等問題。隨著智能移動設備的普及和物聯網技術的發展，基于Android 手機的分布式環控系統逐漸成為研究熱點。該系統利用Android 手機強大的計算能力和便捷的移動互聯特性，實現對植物工廠環境參數的實時監測、數據分析和智能調控，從而提高環控效率，降低運營成本。

1 系統總體架構設計

基于Android 手機的植物工廠多變量環控系統由上位機Android 手機應用、通信模塊、下位機Arduino 模塊系統組成。上位機Android 手機應用負責用戶界面展示和數據處理，通信模塊控制上、下位機之間的數據傳輸，而下位機Arduino 模塊系統則負責傳感器數據采集和設備控制。下位機主要功能是采集數據。Arduino 開發板作為下位機的控制中心負責接收來自傳感器的信號，并進行初步處理，通過通信模塊將處理后的數據傳輸到上位機，并利用溫度傳感器、濕度傳感器、CO2 濃度傳感器等設備有效監控植物工廠內的環境參數，實時采集相關數據信息，并將其傳輸至Arduino 開發板。

上位機客戶端是以Java 語言為基礎開發的Android APP，主要功能包括數據接收、數據處理、數據顯示、遠程控制，數據接收與處理上位機通過通信模塊接收下位機發送的環境數據，對數據進行校驗、存儲和計算。用戶可以通過Android APP 界面直接查看植物工廠內的各項環境參數，如溫度、濕度、光照強度等。用戶利用Android APP 遠程控制植物工廠內的環境調節設備，如通風系統、加濕器、燈光系統等，實現對植物工廠環境的精確調控。

1.1 下位機Arduino 模塊系統設計

如圖1 所示，下位機Arduino 模塊系統包括多個傳感器，如溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2 濃度傳感器等，全面采集植物工廠內的環境數據。將采集的數據進行初步處理，通過通信模塊發送給上位機Android 手機應用。根據上位機發送的控制指令或預設的控制策略，設計相應的控制邏輯以及通風系統、補光系統和照明系統的控制接口，并且通過繼電器控制通風系統、補光系統、照明系統。在系統實現方面，選擇適合的Arduino 開發板（如Arduino Uno、Mega 等）、相應的傳感器和執行機構。編寫Arduino 開發板的固件程序，實現數據采集、處理和設備控制等功能；開發Android 手機應用，實現用戶界面和數據管理，將各個模塊進行集成，開展系統測試，確保系統的穩定性。

1.2 上位機Arduino 客戶端APP 模塊設計

上位機部分主要負責用戶界面的設計與開發，包括控制模塊、顯示模塊、設置模塊、數據庫模塊，如圖2 所示。控制模塊負責接收來自傳感器的數據，根據預設的參數對植物工廠內的環境進行調控，用戶利用APP 界面直接發送控制指令，實現遠程控制燈光、溫度、濕度、CO2 濃度等環境變量。顯示模塊用于實時展示植物工廠內的各項環境變量數據，采用圖表和曲線的方式，用戶可以直接了解溫度、濕度、光照強度等參數變化趨勢，便于及時發現異常情況。設置模塊允許用戶對系統進行個性化配置，包括報警閾值設定、數據采集頻率調整、用戶權限管理等，用戶可以通過科學設置模塊并結合植物生長的具體需求，從而調整系統的運行參數。數據庫模塊用于存儲和管理植物工廠的歷史數據，用戶利用數據庫查詢歷史數據進行數據分析。在實際實施過程中，本系統利用手機APP 實時接收傳感器數據，將這些數據以曲線圖的形式展示給用戶，用戶可隨時查看最新的環境變量數據，判斷曲線圖，分析環境變化趨勢，從而做出相應的調控決策。通過Android 客戶端APP，植物工廠管理者可實時監測工廠內的環境變量，并進行遠程操作，手機客戶端框架如圖2 所示。

2 多變量環控系統設計

2.1 Arduino 控制中心

本系統的控制中心選取Arduino Mega 2560 開發板，設置16 路模擬輸入和54 路數字輸入/ 輸出口，利用Arduino 編程語言編寫程序，將其編譯成二進制文件，燒錄進微控制器中。在供電方式方面，Arduino Mega 2560 支持3 種供電方式，包括外部直流電源通過電源插座供電、電池連接電源連接器的GND 和VIN 引腳、USB 接口直流供電，這種靈活的供電方式能夠確保系統的穩定運行。同時，系統接入多種傳感器（如溫度、濕度、光照等）和執行器[ 如水泵、風扇、發光二極管（light-emitting diode，LED）燈等]，全面監控植物生長環境。在軟件部分，使用Arduino 編程語言編寫控制程序，該語言基于C/C++ 語言，已編寫的程序通過Arduino 集成開發環境（integrated development environment，IDE）進行編譯，生成二進制文件，然后通過USB 接口燒錄進Arduino Mega 2560 開發板中，開發一個Android 手機應用，通過藍牙或Wi-Fi 與Arduino Mega 2560 進行通信，實現遠程監測和控制。在系統功能控制方面，實時監測植物生長環境的溫度、濕度、光照等參數，并且將數據傳輸至Android 手機APP；根據預設的參數閾值，自動控制水泵、風扇、LED 燈等執行器，維持最佳的生長環境；用戶使用Android 手機APP 遠程監控植物生長環境，實現智能化管理[1]。

2.2 環境變量監測模塊

環境變量監測模塊負責采集植物生長所需的關鍵環境參數，包括空氣質量、溫濕度、土壤濕度、光照強度等。SGP30 傳感器可以實時監測空氣質量，測量揮發性有機化合物（volatile organiccompounds，VOCs）和CO2 的濃度，使植物生長在良好的空氣環境中。采用DHT11 數字傳感器測量環境溫度和濕度，其可以提供準確的溫濕度數據，幫助用戶調節植物生長環境。采用土壤濕度傳感器測量植物根部的土壤濕度，利用模擬信號輸出土壤的濕度值，幫助用戶合理澆水，避免出現過度澆水問題。光照是植物光合作用的關鍵因素，通過數字光照傳感器可以實時了解光照情況，調整光照設備參數，保證植物獲得適宜的光照。在硬件方面，利用集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）接口連接的SGP30 傳感器和數字接口連接的DHT11數字傳感器，建立Arduino 開發板，將采集的數據通過藍牙模塊發送到Android 手機；在軟件方面，Android 手機端開發用戶友好的APP，用戶使用APP界面實時查看各項環境參數，進行相應的控制操作，幫助用戶科學管理植物生長環境[2]。

2.3 環境變量控制模塊

通風系統主要功能是調節植物工廠內的空氣流通條件和溫度，用戶可以通過Android 手機實時監控通風系統的運行參數，如風速、風向和通風時間等。系統還可以根據植物的生長階段和外部環境變化，自動調整通風策略，保持適宜的溫濕度和CO2 濃度。補光系統負責提供植物生長所需的光照，特別是在自然光照不足的情況下，應用Android 手機控制LED 燈開關、亮度和光譜，以真實地模擬自然光照條件。利用脈沖寬度調制（pulsewidth modulation，PWM）技術控制LED 燈亮度，通過閉環控制方式將植物工廠中的光照強度控制在40 000 lx。用戶能夠根據植物的光合作用需求，調整光照強度和光譜分布，促進植物的光合作用。而照明系統不僅可以為植物提供光照，還可以為植物工廠日常操作提供必要的照明，工作人員可以使用Android 手機，結合不同的時間段和操作需求，調整照明強度和模式[3]。

3 結語

綜上，本文旨在探討基于Android 手機的植物工廠多變量環控系統的設計原理、實現方法和應用效果。通過研究，期望能為植物工廠的智能化管理提供新思路，推動現代農業技術進步，為解決全球糧食可持續發展問題做出貢獻。

參考文獻

[1] 鄭佳運. 模塊化植物工廠內環境智能控制模型研究與系統設計[D]. 咸陽：西北農林科技大學，2023.

[2] 賀磊磊. 食用菌種植集裝箱環境控制系統設計[D]. 咸陽：西北農林科技大學，2023.

[3] 余洋. 智能植物工廠控制系統研究與優化[D]. 杭州：浙江大學，2021.