基于Android手機(jī)的植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：旨在開(kāi)發(fā)一種智能的環(huán)境控制系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化植物生長(zhǎng)條件，提高作物產(chǎn)量。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析方法和移動(dòng)通信技術(shù)，將Android 手機(jī)作為用戶(hù)界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控植物工廠內(nèi)部的溫度、濕度、光照、營(yíng)養(yǎng)液等數(shù)據(jù)。基于此，研究植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)總體架構(gòu)，明確分模塊功能，設(shè)計(jì)健全的多變量環(huán)控系統(tǒng)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)Android 手機(jī)應(yīng)用。結(jié)果表明，基于Android 手機(jī)的植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)能夠顯著提高植物生長(zhǎng)的穩(wěn)定性，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供創(chuàng)新的解決方案。

關(guān)鍵詞：植物工廠；環(huán)境控制；Android 手機(jī)；傳感器技術(shù)；智能農(nóng)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273；S24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著全球人口增長(zhǎng)和氣候變化，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨資源短缺、環(huán)境污染和產(chǎn)量下降等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，植物工廠作為一種高效、環(huán)保的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，逐漸受到廣泛關(guān)注。而植物工廠的運(yùn)營(yíng)高度依賴(lài)環(huán)境控制，如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的多變量環(huán)境控制成為制約其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)植物工廠環(huán)控系統(tǒng)通常采用集中式控制架構(gòu)，存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂、維護(hù)困難等問(wèn)題。隨著智能移動(dòng)設(shè)備的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于Android 手機(jī)的分布式環(huán)控系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)。該系統(tǒng)利用Android 手機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和便捷的移動(dòng)互聯(lián)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和智能調(diào)控，從而提高環(huán)控效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Android 手機(jī)的植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)由上位機(jī)Android 手機(jī)應(yīng)用、通信模塊、下位機(jī)Arduino 模塊系統(tǒng)組成。上位機(jī)Android 手機(jī)應(yīng)用負(fù)責(zé)用戶(hù)界面展示和數(shù)據(jù)處理，通信模塊控制上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，而下位機(jī)Arduino 模塊系統(tǒng)則負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。下位機(jī)主要功能是采集數(shù)據(jù)。Arduino 開(kāi)發(fā)板作為下位機(jī)的控制中心負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器的信號(hào)，并進(jìn)行初步處理，通過(guò)通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并利用溫度傳感器、濕度傳感器、CO2 濃度傳感器等設(shè)備有效監(jiān)控植物工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將其傳輸至Arduino 開(kāi)發(fā)板。

上位機(jī)客戶(hù)端是以Java 語(yǔ)言為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的Android APP，主要功能包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)接收與處理上位機(jī)通過(guò)通信模塊接收下位機(jī)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、存儲(chǔ)和計(jì)算。用戶(hù)可以通過(guò)Android APP 界面直接查看植物工廠內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等。用戶(hù)利用Android APP 遠(yuǎn)程控制植物工廠內(nèi)的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，如通風(fēng)系統(tǒng)、加濕器、燈光系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠環(huán)境的精確調(diào)控。

1.1 下位機(jī)Arduino 模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，下位機(jī)Arduino 模塊系統(tǒng)包括多個(gè)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(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，通過(guò)通信模塊發(fā)送給上位機(jī)Android 手機(jī)應(yīng)用。根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的控制指令或預(yù)設(shè)的控制策略，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制邏輯以及通風(fēng)系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的控制接口，并且通過(guò)繼電器控制通風(fēng)系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、照明系統(tǒng)。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，選擇適合的Arduino 開(kāi)發(fā)板（如Arduino Uno、Mega 等）、相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。編寫(xiě)Arduino 開(kāi)發(fā)板的固件程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和設(shè)備控制等功能；開(kāi)發(fā)Android 手機(jī)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)界面和數(shù)據(jù)管理，將各個(gè)模塊進(jìn)行集成，開(kāi)展系統(tǒng)測(cè)試，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 上位機(jī)Arduino 客戶(hù)端APP 模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，包括控制模塊、顯示模塊、設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，如圖2 所示?？刂颇K負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)對(duì)植物工廠內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，用戶(hù)利用APP 界面直接發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制燈光、溫度、濕度、CO2 濃度等環(huán)境變量。顯示模塊用于實(shí)時(shí)展示植物工廠內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境變量數(shù)據(jù)，采用圖表和曲線的方式，用戶(hù)可以直接了解溫度、濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)變化趨勢(shì)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。設(shè)置模塊允許用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)性化配置，包括報(bào)警閾值設(shè)定、數(shù)據(jù)采集頻率調(diào)整、用戶(hù)權(quán)限管理等，用戶(hù)可以通過(guò)科學(xué)設(shè)置模塊并結(jié)合植物生長(zhǎng)的具體需求，從而調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于存儲(chǔ)和管理植物工廠的歷史數(shù)據(jù)，用戶(hù)利用數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，本系統(tǒng)利用手機(jī)APP 實(shí)時(shí)接收傳感器數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)以曲線圖的形式展示給用戶(hù)，用戶(hù)可隨時(shí)查看最新的環(huán)境變量數(shù)據(jù)，判斷曲線圖，分析環(huán)境變化趨勢(shì)，從而做出相應(yīng)的調(diào)控決策。通過(guò)Android 客戶(hù)端APP，植物工廠管理者可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠內(nèi)的環(huán)境變量，并進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，手機(jī)客戶(hù)端框架如圖2 所示。

2 多變量環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 Arduino 控制中心

本系統(tǒng)的控制中心選取Arduino Mega 2560 開(kāi)發(fā)板，設(shè)置16 路模擬輸入和54 路數(shù)字輸入/ 輸出口，利用Arduino 編程語(yǔ)言編寫(xiě)程序，將其編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)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(guò)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(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，系統(tǒng)接入多種傳感器（如溫度、濕度、光照等）和執(zhí)行器[ 如水泵、風(fēng)扇、發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）燈等]，全面監(jiān)控植物生長(zhǎng)環(huán)境。在軟件部分，使用Arduino 編程語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序，該語(yǔ)言基于C/C++ 語(yǔ)言，已編寫(xiě)的程序通過(guò)Arduino 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（integrated development environment，IDE）進(jìn)行編譯，生成二進(jìn)制文件，然后通過(guò)USB 接口燒錄進(jìn)Arduino Mega 2560 開(kāi)發(fā)板中，開(kāi)發(fā)一個(gè)Android 手機(jī)應(yīng)用，通過(guò)藍(lán)牙或Wi-Fi 與Arduino Mega 2560 進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。在系統(tǒng)功能控制方面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度、光照等參數(shù)，并且將數(shù)據(jù)傳輸至Android 手機(jī)APP；根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)閾值，自動(dòng)控制水泵、風(fēng)扇、LED 燈等執(zhí)行器，維持最佳的生長(zhǎng)環(huán)境；用戶(hù)使用Android 手機(jī)APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控植物生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智能化管理[1]。

2.2 環(huán)境變量監(jiān)測(cè)模塊

環(huán)境變量監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集植物生長(zhǎng)所需的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，包括空氣質(zhì)量、溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度等。SGP30 傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，測(cè)量揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organiccompounds，VOCs）和CO2 的濃度，使植物生長(zhǎng)在良好的空氣環(huán)境中。采用DHT11 數(shù)字傳感器測(cè)量環(huán)境溫度和濕度，其可以提供準(zhǔn)確的溫濕度數(shù)據(jù)，幫助用戶(hù)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)環(huán)境。采用土壤濕度傳感器測(cè)量植物根部的土壤濕度，利用模擬信號(hào)輸出土壤的濕度值，幫助用戶(hù)合理澆水，避免出現(xiàn)過(guò)度澆水問(wèn)題。光照是植物光合作用的關(guān)鍵因素，通過(guò)數(shù)字光照傳感器可以實(shí)時(shí)了解光照情況，調(diào)整光照設(shè)備參數(shù)，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(shù)字接口連接的DHT11數(shù)字傳感器，建立Arduino 開(kāi)發(fā)板，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送到Android 手機(jī)；在軟件方面，Android 手機(jī)端開(kāi)發(fā)用戶(hù)友好的APP，用戶(hù)使用APP界面實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，幫助用戶(hù)科學(xué)管理植物生長(zhǎng)環(huán)境[2]。

2.3 環(huán)境變量控制模塊

通風(fēng)系統(tǒng)主要功能是調(diào)節(jié)植物工廠內(nèi)的空氣流通條件和溫度，用戶(hù)可以通過(guò)Android 手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向和通風(fēng)時(shí)間等。系統(tǒng)還可以根據(jù)植物的生長(zhǎng)階段和外部環(huán)境變化，自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)策略，保持適宜的溫濕度和CO2 濃度。補(bǔ)光系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供植物生長(zhǎng)所需的光照，特別是在自然光照不足的情況下，應(yīng)用Android 手機(jī)控制LED 燈開(kāi)關(guān)、亮度和光譜，以真實(shí)地模擬自然光照條件。利用脈沖寬度調(diào)制（pulsewidth modulation，PWM）技術(shù)控制LED 燈亮度，通過(guò)閉環(huán)控制方式將植物工廠中的光照強(qiáng)度控制在40 000 lx。用戶(hù)能夠根據(jù)植物的光合作用需求，調(diào)整光照強(qiáng)度和光譜分布，促進(jìn)植物的光合作用。而照明系統(tǒng)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(jī)，結(jié)合不同的時(shí)間段和操作需求，調(diào)整照明強(qiáng)度和模式[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文旨在探討基于Android 手機(jī)的植物工廠多變量環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)方法和應(yīng)用效果。通過(guò)研究，期望能為植物工廠的智能化管理提供新思路，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，為解決全球糧食可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭佳運(yùn). 模塊化植物工廠內(nèi)環(huán)境智能控制模型研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 咸陽(yáng)：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2023.

[2] 賀磊磊. 食用菌種植集裝箱環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 咸陽(yáng)：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2023.

[3] 余洋. 智能植物工廠控制系統(tǒng)研究與優(yōu)化[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2021.