基于Labview的光照環(huán)境控制器智能監(jiān)控系統(tǒng)

付少明　滕光輝　李志忠　李悟杰（中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

基于Labview的光照環(huán)境控制器智能監(jiān)控系統(tǒng)

付少明滕光輝*李志忠李悟杰
（中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

∶隨著人們生活水平的提高，陽臺農業(yè)受到越來越多的關注，為此設計了一種針對家庭使用的LED全人工光型密閉式光照環(huán)境控制器，既能提供作物生長的環(huán)境條件，又能實現(xiàn)作物生長信息的遠程監(jiān)控和管理；該系統(tǒng)基于Labview平臺開發(fā)，不僅可以實時監(jiān)測和顯示種植空間的環(huán)境參數(shù)，根據(jù)作物生長需要對光照環(huán)境控制器內的溫度、濕度、CO2濃度及光照時間進行分時段的獨立設置，還可以利用3G+VPN技術通過Web瀏覽器實現(xiàn)遠程監(jiān)控。以葉用萵苣為試驗作物，對該遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性進行測試，結果表明該遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有應用前景。

∶光照環(huán)境控制器；Labview；遠程監(jiān)控；LED光源；葉用萵苣

隨著人們生活水平的提高，對食品安全和品質的要求越來越高；近年來，利用植物工廠技術，針對家庭使用的光照控制器的研究越來越多（梁寶忠，2010；魏靈玲 等，2011；商守海 等，2012；艾海波 等，2013；Sabzalian et al.，2014）。植物工廠具有高產穩(wěn)產、產品品質好、食用安全等優(yōu)點，同時能有效檢測和控制植物生長過程中的環(huán)境參數(shù)（劉水麗，2007；余錫壽和劉躍萍，2013；楊其長，2014）。目前，國內外學者通過對作物生長需求的分析和研究，已經獲得了許多作物生長所需的參數(shù)值。如何利用這些數(shù)據(jù)制定作物的種植方案，提高生產效率是亟待解決的問題。針對該問題，在相關領域已有研究，主要表現(xiàn)為建立了基于物聯(lián)網的、針對生產對象的環(huán)境信息采集管理系統(tǒng)（賀冬仙 等，2007；朱偉興 等，2012；顏波和石平，2014）。

通過對國內外學者在植物工廠信息管理方面的研究成果分析（Ohyama et al.，2002；Stipanicev& Marasovic，2003；賀冬仙 等，2007；Liu，2012；李萍萍和王紀章，2014；涂俊亮 等，2015），中國農業(yè)大學水利與土木工程學院農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室與中農綠科（北京）農業(yè)技術研究所合作，基于Labview平臺設計了智能化光照環(huán)境控制器遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對光照環(huán)境控制器內溫濕度、CO2濃度等生產信息的全方位管理和遠程監(jiān)控。本文以葉用萵苣（Lactuca sativa L.）為例，對光照環(huán)境控制器智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了全面解析，旨在為其快速進入市場奠定理論基礎。

1　作物栽培流程和環(huán)境信息分析

借鑒顏波和石平（2014）的研究思路，結合現(xiàn)場調研，確定作物生產流程并對重要環(huán)節(jié)進行分析，總結作物不同生長階段的環(huán)境需求特點，進行光照環(huán)境控制器的設計，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。

筆者通過對北京小湯山現(xiàn)代農業(yè)科技示范園設施園藝示范基地以及農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室（植物工廠實驗室）的調研，基本確定葉用萵苣的生產流程如圖1所示。

目前，設施調控主要分為環(huán)境調控和營養(yǎng)液調控兩大塊（王紀章，2013），對應葉用萵苣生長影響因子分為環(huán)境因子和營養(yǎng)液因子。葉用萵苣生長過程中的環(huán)境影響因子主要包括光照、溫度、濕度、CO2濃度、風速等；營養(yǎng)液影響因子主要包括pH值、EC值和溶解氧含量等。另外，栽培用戶的需求還包括耗電量、耗水量和視頻信息。

圖1　葉用萵苣栽培流程

通過對葉用萵苣生長環(huán)境信息的監(jiān)控，可以確保葉用萵苣的生長環(huán)境最優(yōu)，保證產量和栽培周期的連續(xù)性；通過對電量、水量和視頻監(jiān)測，不僅可以幫助栽培用戶計算生產成本，還可以監(jiān)測栽培設備的運作狀況，從而保證栽培過程的正常運行。

2　系統(tǒng)總體架構

為了實現(xiàn)針對葉用萵苣的光照環(huán)境控制器中環(huán)境信息的采集和管理，基于物聯(lián)網的光照環(huán)境控制器智能監(jiān)控系統(tǒng)邏輯上主要分為三大模塊∶光照環(huán)境控制器現(xiàn)場控制子系統(tǒng)（現(xiàn)場控制站），基于3G和VPN的網絡子系統(tǒng)，遠程控制中心子系統(tǒng)（圖2）。

2.1現(xiàn)場控制站

光照環(huán)境控制器現(xiàn)場控制子系統(tǒng)包括4個模塊∶PLC環(huán)境控制模塊、PLC控制器與水電表組建的基于RS-485總線的信息傳輸模塊、視頻監(jiān)控模塊、現(xiàn)場服務器和數(shù)據(jù)庫管理模塊。

圖2　基于物聯(lián)網的光照環(huán)境控制器智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構

2.1.1PLC環(huán)境控制模塊 基于PLC的光照環(huán)境控制器的環(huán)境信息采集如圖3所示。已有的環(huán)境信息通過有線的方式以模擬量信號的形式被采集模塊采集，然后采集模塊通過RS-485總線，使用Modbus協(xié)議，將信息傳給PLC控制器，PLC控制器有一定的邏輯控制能力，處理后可以以“離線”的方式，通過控制開關量，對現(xiàn)場的加濕器、加熱器、空調、風機、LED燈組、CO2電磁閥進行調控，從而保證環(huán)境指標在葉用萵苣生長的適宜范圍內。

圖3　光照環(huán)境控制器的環(huán)境信息采集及設備控制

2.1.2信息傳輸模塊 現(xiàn)場的儀表通過RS-485總線將數(shù)字信號傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務器中，如圖4所示。該系統(tǒng)的整體架構為分布式控制系統(tǒng)（李俊，2003），同時PLC的等級降低為一般的儀表，整個系統(tǒng)為PLC通過RS-485總線兼容于分布式控制系統(tǒng)中。

圖4　分布式控制系統(tǒng)

2.1.3視頻監(jiān)控模塊 現(xiàn)場安有攝像頭，采用視頻服務器，通過TCP/IP協(xié)議將信息傳給現(xiàn)場服務器。

2.1.4現(xiàn)場服務器和數(shù)據(jù)庫管理模塊 現(xiàn)場服務器的信息采集系統(tǒng)基于C/S模式，采用Labview平臺開發(fā)；數(shù)據(jù)庫采用MySQL 5.6關系型數(shù)據(jù)庫開發(fā)?，F(xiàn)場端采用C/S模式的優(yōu)點是∶可以充分利用現(xiàn)場服務器的強大處理能力。

現(xiàn)場服務器具有環(huán)境信息采集、存儲、處理等功能；可以記錄光照環(huán)境控制器中溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、耗水量和耗電量等信息，并將它們存儲在數(shù)據(jù)庫中。同時，服務器會對采集到的信息進行一定的處理。

光照環(huán)境控制器在使用過程中，傳感器的穩(wěn)定性可能會發(fā)生變化。因此，從方便維護的角度考慮，C/S端的本地程序加上了傳感器的校準功能，在實驗室或者返廠校準后，現(xiàn)場工作人員可以通過手動操作改變校準參數(shù)，來實現(xiàn)現(xiàn)場傳感器的校準和維護。

現(xiàn)場C/S端具有在線調控PLC的功能。通過Labview軟件，實現(xiàn)與下位機PLC的交互，可以在線對下位機內部寄存器的參數(shù)進行更改，從而實現(xiàn)對設備現(xiàn)場的調控。

水電管理模式。水量和電量每天采集1次；關于現(xiàn)階段電量的統(tǒng)計，本試驗采用賀冬仙等（2007）的統(tǒng)計方法，具體如下∶光源LED燈組單獨使用1塊電表進行計量，可以對光照環(huán)境控制器中光源的狀態(tài)進行精確的計量和評估；用另1塊電表對光照環(huán)境控制器的總耗電量進行計量，計算各個設備的耗電比例。

式中，W為總耗電量；an為每個設備的耗電量；pn為每個設備耗電所占的百分比。

現(xiàn)場可以通過對水電環(huán)境信息的采集和光照信息的采集，計算光照強度與能耗的比值，近似估計光照環(huán)境的發(fā)光效率，從而對光照環(huán)境進行評價和監(jiān)控。

式中，pn為每個設備光照強度與能耗的百分比；W為總耗電量；Ln為每個設備光照傳感器的強度。

2.2基于3G和VPN的網絡子系統(tǒng)

3G和VPN系統(tǒng)的優(yōu)點∶一是適用于偏遠、上網不方便的地區(qū)；二是適用于臨時組網，相對靈活?；?G和VPN的網絡傳輸系統(tǒng)已經得到成功應用（勞鳳丹 等，2011）。

本試驗中，光照環(huán)境控制器試驗平臺搭建的地區(qū)上網不便，而且是臨時組網進行試驗，所以該平臺非常適合采用3G+VPN的網絡傳輸方式。

3G和VPN系統(tǒng)主要是通過VPN服務器，采用微波對射的方式，以移動網絡為媒介，將現(xiàn)場實驗室和遠程控制中心兩個局域網連成一個局域網；同時，栽培用戶和操作人員也可以通過連接遠程控制中心的VPN服務器，對現(xiàn)場實驗室的設備進行訪問和調試。

2.3遠程控制中心子系統(tǒng)

WEB監(jiān)控模塊是利用數(shù)據(jù)庫中提供的數(shù)據(jù)提交給前臺客戶的瀏覽端。栽培用戶登陸后才能操作網站的內容，不同用戶具有不同級別的權限，普通用戶可以進行查詢數(shù)據(jù)、導出數(shù)據(jù)等簡單的操作；具有系統(tǒng)管理員權限的用戶才可以對設備、系統(tǒng)的設定進行操作。

同時，遠程監(jiān)控子系統(tǒng)具有與現(xiàn)場實驗系統(tǒng)進行信息交互的功能。目前實現(xiàn)遠程與現(xiàn)場設備同步的方法主要有兩種，服務器推技術和輪訓法（秦琳琳 等，2015）。與傳統(tǒng)的遠程與現(xiàn)場設備同步的方法相比，本系統(tǒng)還可以通過B/S和C/S相結合的方法，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備（例如數(shù)字式水電表或信息采集卡）的替換或增加。

具體方法如下∶當現(xiàn)場需要增加新設備時，現(xiàn)場工作人員首先將基于Modbus傳輸協(xié)議的水表、電表或者其他信息采集模塊接于系統(tǒng)中，遠程控制中心的技術人員通過Web將設備的相關信息添加到數(shù)據(jù)庫中；現(xiàn)場的C/S端程序每次運行時，都會讀取數(shù)據(jù)庫中所有的設備編號，從而可以使添加的新設備正常運行。采用這種方法的優(yōu)點是∶在不修改C/S端程序的情況下，可以通過遠程遙控，幫助沒有經過專業(yè)訓練的工作人員完成對現(xiàn)場設備的添加、維護。

3　遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定性測試

試驗于2016年3～6月在中國農業(yè)大學上莊實驗基地進行，供試葉用萵苣品種為玻璃生菜，種子由中農金旺（北京）農業(yè)工程技術有限公司提供，4月7日播種于海綿塊上，4月28日、幼苗五葉一心時開始定植；光照環(huán)境控制器的栽培尺寸為1 200 mm×500 mm×1 900 mm，定植密度0.24 m2·株-1；采用深液流法，營養(yǎng)液為日本山崎配方（陸珍，2015），同時利用營養(yǎng)液的流動循環(huán)進行補氧，每天循環(huán)4次，每次30 min。

選取4月28～31日連續(xù)3 d的環(huán)境監(jiān)控結果進行分析。這3 d處于葉用萵苣定植期，由于環(huán)境控制設備剛剛開始啟動運行，以及定植時的人員操作，致使此期的溫濕度等環(huán)境因子變化較為劇烈。如果這3 d的環(huán)境條件能夠滿足葉用萵苣的生長需求，則可以認為該系統(tǒng)的環(huán)境控制效果能夠滿足葉用萵苣的生長。

試驗結果表明（圖5～7），該遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，光照環(huán)境控制器內的溫度變化范圍在15～30 ℃之間，濕度變化范圍在40%～80%之間，可以滿足葉用萵苣的生長要求。

圖5　光照環(huán)境控制器內溫度的變化趨勢

葉菜類蔬菜生長的適宜溫度范圍為15～28℃，適宜濕度范圍為50%～85%（商守海 等，2012；楊其長，2014）。本試驗中光照環(huán)境控制器初始溫度調控經歷了較長時間的爬坡，同時最高溫度超過了28 ℃。這一方面是因為此時正在進行定植，系統(tǒng)處于非密閉狀態(tài)；另一方面是因為設備剛剛啟動，需要一定的響應時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。葉用萵苣植株本身也具有一定的自我調節(jié)能力，短時間的較高溫度（如30 ℃）并沒有對其生長造成不可逆性的傷害。

圖6　光照環(huán)境控制器內濕度的變化趨勢

圖7　光照環(huán)境控制器內CO2濃度的變化趨勢

本試驗中，光照環(huán)境控制器內的濕度保持在40%～80%，與理想的控制目標值50%～85%相比，雖然可以滿足葉用萵苣生長的濕度要求，但是控制效果仍需改進。在今后的試驗中，可以通過調整控制閾值來改善濕度的控制效果；同時，引進濕焓圖思想，研究溫濕度的耦合效應（商守海 等，2012），進一步提高系統(tǒng)的控制效果，甚至起到節(jié)約能耗的作用。

本試驗沒有對CO2濃度進行控制，從圖7來看系統(tǒng)的監(jiān)測效果穩(wěn)定，開始時CO2濃度的異常值是由于工作人員定植操作導致的。由于光照環(huán)境控制器空間狹小，人員操作往往會導致CO2濃度的劇烈變化，因此具有補充CO2功能的光照環(huán)境控制器應該注意系統(tǒng)的密封性設計。

3　結論

筆者設計了一種針對家庭使用的LED光源的全人工光型密閉式光照環(huán)境控制器，并為該光照環(huán)境控制器設計和實現(xiàn)一套基于Labview平臺的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以為作物提供滿足其生長要求的環(huán)境條件，還可以通過對環(huán)境參數(shù)的合理設置，提高資源利用效率；同時，通過3G+VPN網絡連接技術，將本地監(jiān)控與遠程監(jiān)控結合起來，實現(xiàn)了光照環(huán)境控制器的遠程監(jiān)控和管理。該監(jiān)控系統(tǒng)的成功研制為LED光照環(huán)境控制器快速進入市場奠定了基礎。

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Abstract∶W ith improvement of people’s living standards，balcony agriculture has won more and more attention.Therefore，this paper has designed a LED light and environment controller for family usage，which can provide crops with suitable growth environment，and yet achieving remote intelligent monitoring and management of crop growth information.The intelligent monitoring system is development based on Labview. Except real-time monitor and display environmental parameters of planting space，the system also can control the environmental factors like temperature，humidity，CO2concentration and brightness of LED light based on timesegmented strategy according to the need of crops.What’s more，the system can achieve remote monitoring and control through a WEB browser with 3G+VPN technology.The results of Lettuce（Lactuca sativa L.）planting experiment indicate that this Intelligent Monitoring System runs stably and reliably.

Key words∶Light and environment controller；Labview；Remote monitoring；Light emitting diode（LED）；Lettuce

Intelligent M onitoring System for Light and Environment Controller based on Internet of Things

FU Shao-ming，TENG Guang-hui*，LI Zhi-zhong，LI Wu-jie
（Key Laboratory of Agricultural Engineering in Structure and Environment，M inistry of Agriculture，College of Water Resources and Civil Engineering，China Agriculture University，Beijing 100083，China）

付少明，男，博士研究生，專業(yè)方向∶設施農業(yè)環(huán)境控制與信息技術，E-mail∶1253866106@qq.com

（Corresponding author）∶滕光輝，男，教授，博士生導師，專業(yè)方向∶設施環(huán)境檢測與信息技術，E-mail∶futong@cau.edu.cn

∶2016-06-30；接受日期∶2016-07-20

智能化植物工廠生產技術研究項目（2013AA103005）