基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能智能種養(yǎng)裝置的設(shè)計與開發(fā)

孫昌權(quán)，盧穎濤

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 句容 212400）

0 引言

隨著城市化建設(shè)進程的加快，城市化建設(shè)用地與綠化用地之間的矛盾日益突出，如何在現(xiàn)代化城市中利用有限的土地資源營造綠色生態(tài)的環(huán)境，成為發(fā)展綠色都市亟需解決的問題。

針對現(xiàn)狀，許多研究學者和相關(guān)企業(yè)單位設(shè)計和開發(fā)了符合市場需求的產(chǎn)品[1-6]。陳澤華、劉雨青等人[7]開發(fā)的多功能家用種植池，利用LabVIEW 作為上位機，可對種植池內(nèi)的溫度、濕度、pH 值等環(huán)境參數(shù)進行遠程實時采集和調(diào)節(jié)。蒲鳳林等人[8]利用魚菜共生原理設(shè)計了一種家庭景觀式的魚菜共生系統(tǒng)，很好地將魚糞及食物殘渣作為蔬菜肥料使用。

筆者結(jié)合參考文獻和用戶實際需求，設(shè)計和開發(fā)了一種適用于家庭的智能種養(yǎng)裝置。該裝置由水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)、種植系統(tǒng)與智能化控制系統(tǒng)三部分組成，實現(xiàn)種植與水產(chǎn)養(yǎng)殖一體化。結(jié)合自動控制、單片機控制等技術(shù)，使得裝置更加智能化，方便用戶使用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置設(shè)計了垂直立體式種養(yǎng)結(jié)構(gòu)，其裝置結(jié)構(gòu)框架與實物如圖1 所示，其主要包括水過濾回收池、組合式立體植物栽培槽、嵌入式玻璃魚缸、可伸縮式植物補光燈與頂部的智能控制區(qū)域。裝置正反面各設(shè)計了7 層組合式植物栽培槽，頂層與第二層植物栽培槽上方，安裝有滴灌頭，通過水泵將過濾后的水輸送到管道中。在裝置的中間安裝一體式傳感器，可以采集環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度與CO2濃度數(shù)據(jù)。魚缸內(nèi)安裝有水泵、魚缸燈與魚糞收集器，其中魚糞收集器利用壓差原理，將水中的糞便通過魚缸進水產(chǎn)生的壓差讓糞便隨水吸入收集器中，進入到底部的過濾水箱進行沉淀、分解，最終形成肥料為植物提供養(yǎng)分。水過濾回收池內(nèi)有兩個水泵、殺菌燈和EC 傳感器，其中水泵用于魚缸水循環(huán)和植物供水，殺菌燈用于水質(zhì)殺菌消毒，EC 傳感器則檢測水質(zhì)情況。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)框架與實物

1.2 控制方案設(shè)計

控制系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測模塊、繼電器控制模塊、遠程模塊與觸摸屏四部分組成，系統(tǒng)總體控制方案如圖2 所示。環(huán)境監(jiān)測模塊由傳感器、RS485/232 收發(fā)器、單片機芯片等硬件電路組成，其中單片機芯片為STM32F103ZET6，與傳感器通過485 接口以ModBus協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。繼電器控制模塊用于驅(qū)動控制執(zhí)行機構(gòu)動作，操作人員可以通過裝置側(cè)面的觸摸屏對執(zhí)行機構(gòu)進行實時操控，也可通過遠程手機小程序與計算機WEB 操控。遠程控制模塊由有人物聯(lián)的4G 模塊（WH-G405tf）組成，該模塊支持MQTT、Socket 等多種通信與云服務(wù)進行通信。

圖2 系統(tǒng)總體控制方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)硬件PCB 電路設(shè)計如圖3 所示。所使用的硬件電路為自主研發(fā)產(chǎn)品，該硬件電路將采集、控制與遠程等模塊集成在一塊電路板上，極大地提高了產(chǎn)品的整體性與美觀性。該硬件系統(tǒng)由2 路RS485采集、2 路模擬量采集、14 路繼電器輸出和8 路開關(guān)量輸入組成，能夠滿足本文開發(fā)的智能種養(yǎng)系統(tǒng)使用。

圖3 PCB 電路設(shè)計

2.2 環(huán)境采集模塊設(shè)計

本系統(tǒng)選用的傳感器為建大仁科四合一集成傳感器（RS-GZCO2WS-N01-2），該傳感器采用485 通信，標準ModBus-RTU 通信協(xié)議，通信地址、波特率等參數(shù)可使用上位機軟件進行設(shè)置。使用時只需給傳感器提供10～30 VDC 電源，并將傳感器兩根485通信線接到控制器的A1 與B1 即可。控制器RS485控制電路設(shè)計如圖4 所示，其中SP3485EN 為+3.3 V低功耗半雙工收發(fā)器，當單片機要發(fā)送數(shù)據(jù)時，控制485_1 為高電平，數(shù)據(jù)通過TX1 發(fā)送；當單片機要接收數(shù)據(jù)時，控制485_1 為低電平，數(shù)據(jù)通過TX1接收。系統(tǒng)可通過本地觸摸屏設(shè)置數(shù)據(jù)上報周期，當不進行數(shù)據(jù)收發(fā)時，可讓傳感器與控制器處于休眠狀態(tài)，以降低功耗。

圖4 RS484 電路設(shè)計

2.3 遠程控制模塊設(shè)計

遠程控制模塊由有人物聯(lián)的4G 模塊（WH-G405tf）、物聯(lián)網(wǎng)卡與其他輔助電路組成，遠程控制模塊電路設(shè)計如圖5 所示。4G 模塊的功能是通過4G 無線與云服務(wù)器建立遠程通信，單片機將需要上傳的數(shù)據(jù)按照Socket 通信協(xié)議的方式通過4G模塊轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器，接收、解析并執(zhí)行來自服務(wù)器的控制指令。

圖5 遠程控制模塊電路設(shè)計

3 系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)共有2 個上位機，其中本地上位機為電容式觸摸屏，安裝在裝置的側(cè)面，用于監(jiān)測環(huán)境參數(shù)與對裝置的控制。本地上位機界面如圖6 所示，可實現(xiàn)手自動切換控制，默認為手動控制。當打開自動模式后，可在參數(shù)設(shè)置內(nèi)對溫度、濕度和光照強度設(shè)置上下限值，系統(tǒng)即按設(shè)置值與傳感器采集的數(shù)據(jù)進行比對，從而實現(xiàn)自動控制。

圖6 本地上位機界面

為解決用戶長時間不在家，導致植物與魚類無人看管而死亡的問題，系統(tǒng)加入了遠程管控功能。計算機WEB 端的遠程管控界面如圖7 所示，手機小程序遠程管控界面如圖8 所示。當用戶不在家時，可以通過手機和計算機登錄系統(tǒng)，遠程對植物與魚類進行水循環(huán)、灌溉、補光等操作。

圖7 計算機WEB 端遠程管控界面

圖8 手機小程序遠程管控界面

4 系統(tǒng)試驗

為檢測種養(yǎng)裝置內(nèi)的環(huán)境參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)采集的準確性和執(zhí)行控制的穩(wěn)定性，特對其在各種環(huán)境下進行穩(wěn)定性測試。隨機選取24 h 內(nèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)歷史曲線圖，如圖9 所示，對比當天通過手持式高精度測量儀測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差為0.1%左右，在設(shè)計范圍內(nèi)。通過遠程和本地對裝置機構(gòu)控制的反應(yīng)時間進行測試，結(jié)果表明，裝置控制響應(yīng)時間在0.2 s 左右，符合設(shè)計要求。

圖9 24 h 四合一傳感器采集歷史曲線