基于LoRa和組態(tài)軟件的植物工廠環(huán)境監(jiān)控系統的研究與實現_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 災害等現狀 傳統農業(yè)的地位面臨挑戰(zhàn) 設施農業(yè)的 發(fā)展備受關注 植物工廠 作為設施農業(yè)的最高產 物 最早是由日本專家提出 能夠實現內部環(huán)境因素 的精準控制 并且不受任何環(huán)境條件的影響 可以全 周期生產作物 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 廠內作物的生長周期 無需施加農藥 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 易推廣應用等缺點 微型植物工廠應運而生 微型植 物工廠的尺寸僅有冰箱大小 結構簡單 在一個密閉 的工作空間內 是植物工廠技術的濃縮 它是通過智 能自動控制系統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 隨著互聯網技術的迅速發(fā)展 將該技術融入到 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網的微型植物工廠智能化監(jiān)控 系統開發(fā)智能化的判斷和決策 近年來 基于物聯網 的微型植物工廠快速發(fā)展 目前還停留在試驗階段 沒有真正推向市場 如何實現家庭用智能化 傻瓜化 的目標 成為目前微型植物工廠取得良好實用性的 關鍵 因此 針對具體的作物生長模型實現多目標下 的微型植物工廠遠程環(huán)境調控已經成為亟待解決的 問題 6 7 1 系統整體方案設計 本試驗在江蘇省現代農業(yè)裝備工程中心的微型 植物工廠內進行 利用植物工廠內的空調 加濕器 補光燈 水循環(huán)等設備 通過LoRa網關采集植物工 廠內各栽架內的溫度 濕度 光照強度 CO 2 濃度 土 壤溫濕度等環(huán)境參數 設計了一種基于LoRa和組態(tài) 軟件的微型植物工廠智能監(jiān)控系統 該系統主要實 現的功能是 實時監(jiān)測植物工廠內的環(huán)境參數 實時 顯示植物工廠執(zhí)行機構的狀態(tài) 在線設定溫度 濕度 等參數的上限下限值以及設備執(zhí)行的延時時間 各 參數的實時趨勢圖 歷史趨勢圖 實時數據庫 歷史 數據庫報表的查詢打印等功能 環(huán)境參數超出預定 值報警及執(zhí)行機構異常報警等 用戶外出時可通過 手機 電腦 或將其托管給服務器 遠程管理微型植 物工廠 一定程度上緩解了城市居民缺乏經驗或時 間管理微型植物工廠的問題 8 本系統采用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)控系統的研究與實現 張志偉 1 2 趙 霞 1 2 高菊玲 1 2 1 江蘇農林職業(yè)技術學院機電工程學院 江蘇 句容 212400 2 江蘇省現代農業(yè)裝備工程中心 江蘇 句容 212400 摘 要 為實現植物工廠內環(huán)境參數的采集和智能遠程監(jiān)控 研究并開發(fā)出一套基于LoRa無線數 據采集系統和組態(tài)軟件 力控組態(tài) 的智能監(jiān)控系統 組態(tài)軟件為控制系統的上位機 基于LoRa無 線網關和無線傳感節(jié)點來采集植物工廠內部的環(huán)境參數 通過Modbus通訊協議實現上位機與Lo Ra網關之間的通訊 并在工控機的上位機軟件中實時顯示植物工廠的環(huán)境參數 通過組態(tài)軟件來控 制PLC 實現對執(zhí)行機構如補光燈 加濕器 空調等進行精準控制 試驗在江蘇省現代農業(yè)裝備工程 中心的植物工廠中進行 試驗結果證明該系統性價比高 魯棒性好 提高了植物工廠環(huán)境參數采集 的穩(wěn)定性和準確性 關鍵詞 植物工廠 LoRa 組態(tài)軟件 智能監(jiān)控系統 Agricultural Equipment Technology Vol 47 4 Aug 2021 第47卷第4期 2021年8月 農業(yè)裝備技術 14 總第224期 2 系統硬件設計 LoRa網關系統采用的是STC8A8K64S4A12芯 片 該芯片不需要外部復位和晶振電路 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網關采集模塊電路原 理圖 LoRa模塊選擇的正點原子的ATK LORA 01 模塊 該模塊可支持透明傳輸和定向傳輸 其中透明 傳支持點對點傳輸 點對多傳輸和廣播監(jiān)聽 模塊工 作頻率410 441MHz 通訊距離 3000m 無線速 軟件為上位機 西門子200smart LoRa網關為下位 機 通過Modbus通訊協議實現與網關通訊 將傳感 器采集的環(huán)境參數接收到監(jiān)控系統中 通過RS485 串口通信接口與下位機PLC進行通信 進而根據控 制決策通過輸出接口對執(zhí)行機構進行過程控制 本 系統支持本地手動控制與遠程Android端與Web端 控制 本地通過工控機實現對植物工廠的實時控制 如圖1所示為系統框架圖 圖1 系統框架圖 圖2 LoRa 網關采集模塊電路原理圖 風機 空調 補光燈 加濕器 云服務 PLC控制器 Android端 LoRa網關 Web端 LoRa網關 溫度 濕度 光照強度 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)控系統的研究與實現 AET2021 4 15 總第224期 率19200bps MAX 適用于遠距離數據傳輸 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 將傳感器設計成分體式 一共3個監(jiān)測節(jié)點 其中 圖4 a 為光照強度采集節(jié)點 圖4 b 為CO 2 濃度采集 節(jié)點 圖4 c 為環(huán)境溫濕度采集節(jié)點 圖4 d 為Lora 匯聚網關 3 組態(tài)軟件設計 在組態(tài)軟件中完成設備通信和I O數據庫組態(tài) 后 根據系統需求在組態(tài)軟件中進行監(jiān)控界面的開 發(fā) 組態(tài)軟件的監(jiān)控界面是人機交互的重要媒介 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 歷史參數查詢 實時趨勢圖 設備運行 狀態(tài) 故障報警 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 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)測系統硬件實物 農業(yè)裝備技術 AET 2021 4 16 總第224期 術 填補國內溫室蔬菜秸稈切碎除蟲深還田機械化 作業(yè)領域的技術空白 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 大幅度減少農藥和各種肥料的使用量 改善 設施種植環(huán)境 實現設施蔬菜綠色循環(huán)生產 參考文獻 1 陳麗娟 秸稈堆漚快速腐熟還田技術 J 農村新技術 2010 8 73 74 2 付秀民 郝德剛 徐安樂 蔬菜秸稈還田配套機械化技術應 用研究 J 農民致富之友 2018 12 173 3 劉蘭清 秸稈還田和氮肥對土壤理化性質及作物產量的 影響研究 D 咸陽 西北農林科技大學 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 碳及其活性組分的影響 J 農業(yè)工程學報 2016 32 9 130 135 圖1 溫室蔬菜秸稈還田克服連作障礙關鍵技術具體路線 4 系統調試運行 將網關通電 打開安裝在工控機上的力控組態(tài) 軟件即可通過監(jiān)控界面對植物工廠內的執(zhí)行機構進 行控制 同時實時顯示當前微型植物工廠內的環(huán)境 參數 現場操作人員可以通過上位機將溫度 濕度的 上下限值輸入 電機自動運行即可 當微型植物工廠 內的環(huán)境參數超出預定值時 控制系統將根據控制 策略向PLC發(fā)送控制指令 繼而控制微型植物工廠 內的執(zhí)行機構 完成養(yǎng)護工作 5 結 語 基于物聯網技術 將本地傳感器信息采集 無線 傳輸網絡 手機端應用軟件和Web端應用軟件相結 合 開發(fā)出了一套應用于微型植物工廠的遠程智能 監(jiān)控系統 通過該系統用戶可以遠程實時查看微型 植物工廠狀態(tài)信息 即時干預控制 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 關系 為下一批次作物種植的環(huán)境優(yōu)化調控提供參 考 用戶缺乏時間或經驗管理微型植物工廠時 可以 將其托管給專家或服務器代為管理 試驗結果表明 在應用試驗中各功能模塊工作正常 作物長勢良好 目前系統運行穩(wěn)定 對操作人員的技能要求低 能夠 達到現場控制要求 便于家庭使用 參考文獻 1 賈鶴鳴 張森 宋文龍 等 基于CFD的微型植物工廠濕熱 環(huán)境數值分析 J 林業(yè)工程學報 2018 3 6 122 127 2 左志宇 徐超 毛罕平 等 微型植物工廠環(huán)境控制參數優(yōu)化 試驗研究 J 機化研究 2020 42 12 150 155 3 李冠男 郭奇梅 高峰 等 植物工廠項目建設的價值及關鍵 技術和創(chuàng)新探究 J 現代園藝 2021 44 4 193 194 4 王志冉 張曉文 馬鐵 等 植物工廠的研發(fā)與應用 J 湖南農 業(yè)科學 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模 擬及優(yōu)化 J 中國農業(yè)大學學報 2021 26 1 78 87 6 高菊玲 劉永華 基于風扇差速調節(jié)的微型植物工廠溫度精 準控制 J 江蘇農業(yè)學報 2020 36 6 1543 1550 7 楊其長 植物工廠現狀與發(fā)展戰(zhàn)略 J 農業(yè)工程技術 溫室 園藝 2016 6 10 9 12 8 涂俊亮 邱權 秦琳琳 等 微型植物工廠內部環(huán)境調控試驗 平臺研制及試驗 J 農業(yè)工程學報 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)控系統的研究與實現 AET2021 4 17