植物工廠智能控制系統(tǒng)

◎徐云捷 顧敏娟 應(yīng)宇恒 陳廣智 惠文豪

（作者單位：江蘇大學(xué)）

一、引言

現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展飛速，許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展成為了強(qiáng)大的支柱產(chǎn)業(yè)并且形成完整的技術(shù)體系。然而我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平相較于發(fā)達(dá)國家還是存在一些差距的，所以需要在這方面的技術(shù)上多進(jìn)行研究。植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級(jí)發(fā)展階段，利用計(jì)算機(jī)和傳感器或者電路結(jié)構(gòu)等構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)工廠環(huán)境內(nèi)的溫度，濕度，光強(qiáng)，二氧化碳濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，在高精度環(huán)境控制的條件下實(shí)現(xiàn)植物的高效高質(zhì)的生產(chǎn)。高精度的環(huán)境控制使得植物工廠能更好的適應(yīng)對(duì)生長環(huán)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(duì)于普通蔬菜水果的產(chǎn)量和質(zhì)量更是有顯著的保障。植物工廠因?yàn)槠涓咄度?、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系，集生物技術(shù)、工程技術(shù)和系統(tǒng)管理于一體，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來。按計(jì)劃周年性進(jìn)行植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

二、系統(tǒng)框架

植物工廠智能控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

該系統(tǒng)選擇了以FPGA 作為系統(tǒng)的主控，主要是相較于單片機(jī)，DSP 或者嵌入式等技術(shù)，F(xiàn)PGA 在設(shè)計(jì)ASIC 方面具有十分靈活的優(yōu)勢。系統(tǒng)應(yīng)用于高端和高精度的監(jiān)控時(shí)，會(huì)需要大量的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)還需要進(jìn)行通信工作，若使用單片機(jī)，則需要較多的定時(shí)器，且需要設(shè)定多個(gè)中斷程序，較為復(fù)雜，而FPGA 正好擁有并行處理的能力，所以選擇了FPGA 作為系統(tǒng)核心。

系統(tǒng)的輸入分為兩部分，一部分是實(shí)時(shí)工作采集環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器部分，另一部分是控制參數(shù)的輸入，即設(shè)定植物工廠需要的溫度，濕度，光照強(qiáng)度，CO2 濃度等參數(shù)的具體值。控制參數(shù)的輸入部分有三個(gè)來源：本地單片機(jī)控制臺(tái)、基于以太網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)和基于藍(lán)牙通信的網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)，程序設(shè)定中可自行規(guī)定控制臺(tái)等級(jí)和控制臺(tái)開關(guān)權(quán)限。

系統(tǒng)的輸出分為兩部分，一部分是控制環(huán)境外圍電路的啟動(dòng)部分，另一部分是傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理后得到的環(huán)境參數(shù)。環(huán)境參數(shù)也是輸出至三個(gè)控制臺(tái)，以方便監(jiān)測。

三、系統(tǒng)工作流程

植物工廠智能控制系統(tǒng)的工作流程圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

植物工廠智能控制系統(tǒng)的工作流程可描述為以下幾個(gè)步驟：

1.在總電源開啟的情況下，植物工廠內(nèi)的傳感器根據(jù)FPGA 的驅(qū)動(dòng)一直工作，并且傳感器持續(xù)采樣輸出當(dāng)前環(huán)境的參數(shù)值給FPGA。

2.三路控制臺(tái)在和FPGA 保持通訊的情況下持續(xù)接收FPGA 傳來的環(huán)境參數(shù)，若用戶期望當(dāng)前植物工廠環(huán)境參數(shù)為某一特定組合，可以本地或者兩種網(wǎng)絡(luò)方式在控制臺(tái)上自行設(shè)定環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過通訊輸出給FPGA。

3.FPGA 接收到控制臺(tái)給定的參數(shù)后和實(shí)際環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)行參數(shù)決策以發(fā)出控制信號(hào)給外圍控制電路。外圍控制電路根據(jù)收到的控制信號(hào)啟停相應(yīng)的電路。

4.外圍電路的啟停工作會(huì)影響環(huán)境參數(shù)發(fā)生改變，改變的環(huán)境參數(shù)會(huì)一直被傳感器采集，進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)中，直到當(dāng)前環(huán)境參數(shù)達(dá)到控制臺(tái)設(shè)定的環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)為止。

以上對(duì)于系統(tǒng)工作流程的描述大致確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路。

此外，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需要注意一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1.傳感器的環(huán)境參數(shù)采集需要經(jīng)過濾波，否則冗余和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的摻雜會(huì)導(dǎo)致高端應(yīng)用情況下出現(xiàn)問題。

2.三路控制臺(tái)設(shè)定環(huán)境參數(shù)需要設(shè)定權(quán)限等級(jí)，否則容易產(chǎn)生沖突導(dǎo)致系統(tǒng)卡死。

3.外圍電路的各個(gè)部分應(yīng)盡量選擇參數(shù)控制相對(duì)隔離的方案，如對(duì)濕度的增大和減小方案不僅應(yīng)內(nèi)部分開，也應(yīng)該減小對(duì)溫度的影響。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢

該系統(tǒng)為智能控制系統(tǒng)，主要是因?yàn)閷?duì)比于目前的研究成果，本文提出的系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1. 以FPGA 的參數(shù)控制決策作為核心進(jìn)行系統(tǒng)控制。對(duì)于外圍電路控制環(huán)境因素的方案，目前很難找到僅僅只影響某一個(gè)環(huán)境因素而不干涉其他因素的方案。有了決策系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)一直進(jìn)行多參數(shù)的同步?jīng)Q策，以動(dòng)態(tài)的調(diào)整環(huán)境參數(shù)達(dá)到平衡。在控制臺(tái)發(fā)出期望參數(shù)之前，只需先設(shè)定合理的參數(shù)值即可。

2.控制臺(tái)的多元化，其中網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理可以兼容計(jì)算機(jī)等高級(jí)平臺(tái)，對(duì)于參數(shù)的監(jiān)控可以程序化托管，方便進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集，完全自動(dòng)化，對(duì)于植物生長的研究具有重大意義。

五、結(jié)語

本文討論了植物工廠智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，描述了包括傳感器，主控芯片，環(huán)境參數(shù)控制電路以及三路控制臺(tái)的功能和特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)的工作流程和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。在設(shè)計(jì)的微型植物工廠模型環(huán)境下進(jìn)行了整體試驗(yàn)，基本上完成了系統(tǒng)大部分監(jiān)測控制等功能。