基于LoRa和組態(tài)軟件的植物工廠環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

張志偉 ，趙 霞 ，高菊玲

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 句容 212400；2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心，江蘇 句容 212400)

0 引 言

近年來，針對我國耕地面積逐漸減少、頻發(fā)自然災(zāi)害等現(xiàn)狀，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的地位面臨挑戰(zhàn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展備受關(guān)注?！爸参锕S”作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高產(chǎn)物，最早是由日本專家提出，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部環(huán)境因素的精準(zhǔn)控制，并且不受任何環(huán)境條件的影響，可以全周期生產(chǎn)作物。此外，采用人工光源可供植物24 h的光照，極大地提高作物的生長速率，縮短了植物工廠內(nèi)作物的生長周期，無需施加農(nóng)藥，保證了植物的純天然、無公害[1-3]。由于植物工廠占地面積巨大、不易推廣應(yīng)用等缺點(diǎn)，微型植物工廠應(yīng)運(yùn)而生。微型植物工廠的尺寸僅有冰箱大小，結(jié)構(gòu)簡單，在一個密閉的工作空間內(nèi)，是植物工廠技術(shù)的濃縮。它是通過智能自動控制系統(tǒng)來控制作物生長的環(huán)境，為其提供適宜的溫度、濕度、光照及成分配比合理的營養(yǎng)液等[4-7]。微型植物工廠的興起，為城市居民生活帶來極大方便，不僅提供綠色無公害的蔬菜，而且可增加氧氣、降低室內(nèi)二氧化碳，也可以作為美化家居，綠色裝飾，增添了居民的生活樂趣[4-5]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，將該技術(shù)融入到微型植物工廠中，可以幫助用戶在使用微型植物工廠期間做出基于物聯(lián)網(wǎng)的微型植物工廠智能化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)智能化的判斷和決策。近年來，基于物聯(lián)網(wǎng)的微型植物工廠快速發(fā)展，目前還停留在試驗(yàn)階段，沒有真正推向市場，如何實(shí)現(xiàn)家庭用智能化、傻瓜化的目標(biāo)，成為目前微型植物工廠取得良好實(shí)用性的關(guān)鍵。因此，針對具體的作物生長模型實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)下的微型植物工廠遠(yuǎn)程環(huán)境調(diào)控已經(jīng)成為亟待解決的問題[6-7]。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心的微型植物工廠內(nèi)進(jìn)行。利用植物工廠內(nèi)的空調(diào)、加濕器、補(bǔ)光燈、水循環(huán)等設(shè)備，通過LoRa 網(wǎng)關(guān)采集植物工廠內(nèi)各栽架內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤溫濕度等環(huán)境參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa 和組態(tài)軟件的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是：實(shí)時監(jiān)測植物工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù)；實(shí)時顯示植物工廠執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)；在線設(shè)定溫度、濕度等參數(shù)的上限下限值以及設(shè)備執(zhí)行的延時時間；各參數(shù)的實(shí)時趨勢圖、歷史趨勢圖；實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫報(bào)表的查詢打印等功能；環(huán)境參數(shù)超出預(yù)定值報(bào)警及執(zhí)行機(jī)構(gòu)異常報(bào)警等。用戶外出時可通過手機(jī)、電腦，或?qū)⑵渫泄芙o服務(wù)器，遠(yuǎn)程管理微型植物工廠，一定程度上緩解了城市居民缺乏經(jīng)驗(yàn)或時間管理微型植物工廠的問題[8]。

本系統(tǒng)采用ForceControl V7.0 版本的力控組態(tài)軟件為上位機(jī)，西門子200smart、LoRa 網(wǎng)關(guān)為下位機(jī)，通過Modbus 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)通訊，將傳感器采集的環(huán)境參數(shù)接收到監(jiān)控系統(tǒng)中，通過RS485串口通信接口與下位機(jī)PLC 進(jìn)行通信，進(jìn)而根據(jù)控制決策通過輸出接口對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行過程控制。本系統(tǒng)支持本地手動控制與遠(yuǎn)程Android 端與Web 端控制，本地通過工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對植物工廠的實(shí)時控制。如圖1 所示為系統(tǒng)框架圖。

圖1 溫室蔬菜秸稈還田克服連作障礙關(guān)鍵技術(shù)具體路線

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

LoRa 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用的是STC8A8K64S4A12 芯片，該芯片不需要外部復(fù)位和晶振電路，接入電源即可工作，提供IDEL 和STOP 兩種低功耗模式，最低可降至0.1 μA 以下，擁有4 個串口，其中一個串口用于MCU 的程序下載使用，剩余3 個串口用于Lo-Ra 模塊使用。如圖2 為LoRa 網(wǎng)關(guān)采集模塊電路原理圖。

圖2 LoRa 網(wǎng)關(guān)采集模塊電路原理圖

LoRa 模塊選擇的正點(diǎn)原子的ATK-LORA-01模塊，該模塊可支持透明傳輸和定向傳輸，其中透明傳支持點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、點(diǎn)對多傳輸和廣播監(jiān)聽，模塊工作頻率410～441MHz，通訊距離≥3 000 m，無線速率19 200 bps（MAX），適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。ATK-LORA-01 模塊如圖3 所示。

圖3 ATK-LORA-01 模塊

考慮到植物工廠面積大、傳感器安裝位置等，將傳感器設(shè)計(jì)成分體式，一共3 個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，其中圖4(a)為光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn);圖4(b)為CO2濃度采集節(jié)點(diǎn)；圖4(c)為環(huán)境溫濕度采集節(jié)點(diǎn)；圖4(d)為Lora匯聚網(wǎng)關(guān)。

圖4 溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件實(shí)物

3 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

在組態(tài)軟件中完成設(shè)備通信和I/O 數(shù)據(jù)庫組態(tài)后，根據(jù)系統(tǒng)需求在組態(tài)軟件中進(jìn)行監(jiān)控界面的開發(fā)，組態(tài)軟件的監(jiān)控界面是人機(jī)交互的重要媒介。力控軟件為界面的開發(fā)提供了多樣的圖庫，使得界面開發(fā)更加簡單豐富。

在組態(tài)界面中，制作的功能主要有:用戶管理、手自動控制、歷史參數(shù)查詢、實(shí)時趨勢圖、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、定時、控制策略編寫等功能。組態(tài)軟件監(jiān)控界面如圖5 所示。

圖5 組態(tài)軟件監(jiān)控界面

4 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

將網(wǎng)關(guān)通電，打開安裝在工控機(jī)上的力控組態(tài)軟件即可通過監(jiān)控界面對植物工廠內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，同時實(shí)時顯示當(dāng)前微型植物工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù)?，F(xiàn)場操作人員可以通過上位機(jī)將溫度、濕度的上下限值輸入，電機(jī)自動運(yùn)行即可。當(dāng)微型植物工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù)超出預(yù)定值時，控制系統(tǒng)將根據(jù)控制策略向PLC 發(fā)送控制指令，繼而控制微型植物工廠內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成養(yǎng)護(hù)工作。

5 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將本地傳感器信息采集、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)端應(yīng)用軟件和Web 端應(yīng)用軟件相結(jié)合，開發(fā)出了一套應(yīng)用于微型植物工廠的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)時查看微型植物工廠狀態(tài)信息，即時干預(yù)控制;查看微型植物工廠的歷史環(huán)境信息，分析作物的長勢與環(huán)境信息的關(guān)系，為下一批次作物種植的環(huán)境優(yōu)化調(diào)控提供參考;用戶缺乏時間或經(jīng)驗(yàn)管理微型植物工廠時，可以將其托管給專家或服務(wù)器代為管理。試驗(yàn)結(jié)果表明:在應(yīng)用試驗(yàn)中各功能模塊工作正常，作物長勢良好，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對操作人員的技能要求低，能夠達(dá)到現(xiàn)場控制要求，便于家庭使用。