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.pdf

總第224期 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 植物工廠 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24h 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(gè)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 CO 2 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(shí)監(jiān)測植物工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù) 實(shí)時(shí) 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(shí)時(shí)間 各 參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢圖 歷史趨勢圖 實(shí)時(shí)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(shí)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(shí) 間管理微型植物工廠的問題 8 本系統(tǒng)采用ForceControlV7 0版本的力控組態(tài) 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 1 2 趙 霞 1 2 高菊玲 1 2 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 摘 要 為實(shí)現(xiàn)植物工廠內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集和智能遠(yuǎn)程監(jiān)控 研究并開發(fā)出一套基于LoRa無線數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)和組態(tài)軟件 力控組態(tài) 的智能監(jiān)控系統(tǒng) 組態(tài)軟件為控制系統(tǒng)的上位機(jī) 基于LoRa無 線網(wǎng)關(guān)和無線傳感節(jié)點(diǎn)來采集植物工廠內(nèi)部的環(huán)境參數(shù) 通過Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與Lo Ra網(wǎng)關(guān)之間的通訊 并在工控機(jī)的上位機(jī)軟件中實(shí)時(shí)顯示植物工廠的環(huán)境參數(shù) 通過組態(tài)軟件來控 制PLC 實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)如補(bǔ)光燈 加濕器 空調(diào)等進(jìn)行精準(zhǔn)控制 試驗(yàn)在江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程 中心的植物工廠中進(jìn)行 試驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)性價(jià)比高 魯棒性好 提高了植物工廠環(huán)境參數(shù)采集 的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性 關(guān)鍵詞 植物工廠 LoRa 組態(tài)軟件 智能監(jiān)控系統(tǒng) Agricultural Equipment Technology Vol 47 4 Aug 2021 第47卷第4期 2021年8月 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 14 總第224期 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 A以下 擁有4個(gè)串口 其中一個(gè)串口 用于MCU的程序下載使用 剩余3個(gè)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 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 3000m 無線速 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(shí)控制 如圖1所示為系統(tǒng)框架圖 圖1 系統(tǒng)框架圖 圖2 LoRa 網(wǎng)關(guān)采集模塊電路原理圖 風(fēng)機(jī) 空調(diào) 補(bǔ)光燈 加濕器 云服務(wù) PLC控制器 Android端 LoRa網(wǎng)關(guān) Web端 LoRa網(wǎng)關(guān) 溫度 濕度 光照強(qiáng)度 CO 2 濃度 張志偉 等 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) AET2021 4 15 總第224期 率19200bps 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(gè)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CO 2 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) 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(shí)趨勢圖 設(shè)備運(yùn)行 狀態(tài) 故障報(bào)警 定時(shí) 控制策略編寫等功能 組態(tài)軟 件監(jiān)控界面如圖5所示 a b c d 圖5 組態(tài)軟件監(jiān)控界面 圖4 溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件實(shí)物 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) AET 2021 4 16 總第224期 術(shù) 填補(bǔ)國內(nèi)溫室蔬菜秸稈切碎除蟲深還田機(jī)械化 作業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)空白 解決目前溫室蔬菜秸稈處理 難度大 成本高 易引發(fā)病蟲害爆發(fā)等問題 使秸稈 資源化 大幅度減少農(nóng)藥和各種肥料的使用量 改善 設(shè)施種植環(huán)境 實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜綠色循環(huán)生產(chǎn) 參考文獻(xiàn) 1 陳麗娟 秸稈堆漚快速腐熟還田技術(shù) J 農(nóng)村新技術(shù) 2010 8 73 74 2 付秀民 郝德剛 徐安樂 蔬菜秸稈還田配套機(jī)械化技術(shù)應(yīng) 用研究 J 農(nóng)民致富之友 2018 12 173 3 劉蘭清 秸稈還田和氮肥對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的 影響研究 D 咸陽 西北農(nóng)林科技大學(xué) 2018 4 李新華 郭洪海 朱振林 等 不同秸稈還田模式對土壤有機(jī) 碳及其活性組分的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2016 32 9 130 135 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 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(shí)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前微型植物工廠內(nèi)的環(huán)境 參數(shù) 現(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(shí) 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(shí)查看微型 植物工廠狀態(tài)信息 即時(shí)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(shí)間或經(jīng)驗(yàn)管理微型植物工廠時(shí) 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 參考文獻(xiàn) 1 賈鶴鳴 張森 宋文龍 等 基于CFD的微型植物工廠濕熱 環(huán)境數(shù)值分析 J 林業(yè)工程學(xué)報(bào) 2018 3 6 122 127 2 左志宇 徐超 毛罕平 等 微型植物工廠環(huán)境控制參數(shù)優(yōu)化 試驗(yàn)研究 J 機(jī)化研究 2020 42 12 150 155 3 李冠男 郭奇梅 高峰 等 植物工廠項(xiàng)目建設(shè)的價(jià)值及關(guān)鍵 技術(shù)和創(chuàng)新探究 J 現(xiàn)代園藝 2021 44 4 193 194 4 王志冉 張曉文 馬鐵 等 植物工廠的研發(fā)與應(yīng)用 J 湖南農(nóng) 業(yè)科學(xué) 2021 1 61 65 5 吳晨溶 程瑞鋒 方慧 等 基于CFD的植物工廠管道通風(fēng)模 擬及優(yōu)化 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2021 26 1 78 87 6 高菊玲 劉永華 基于風(fēng)扇差速調(diào)節(jié)的微型植物工廠溫度精 準(zhǔn)控制 J 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2020 36 6 1543 1550 7 楊其長 植物工廠現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室 園藝 2016 6 10 9 12 8 涂俊亮 邱權(quán) 秦琳琳 等 微型植物工廠內(nèi)部環(huán)境調(diào)控試驗(yàn) 平臺研制及試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 31 2 184 190 上接第13頁 張志偉 等 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) AET2021 4 17