基于LoRa和组态软件的植物工厂环境监控系统的研究与实现_张志伟.pdf

总第224期 0 引 言 近年来 针对我国耕地面积逐渐减少 频发自然 灾害等现状 传统农业的地位面临挑战 设施农业的 发展备受关注 植物工厂 作为设施农业的最高产 物 最早是由日本专家提出 能够实现内部环境因素 的精准控制 并且不受任何环境条件的影响 可以全 周期生产作物 此外 采用人工光源可供植物24h 的光照 极大地提高作物的生长速率 缩短了植物工 厂内作物的生长周期 无需施加农药 保证了植物的 纯天然 无公害 1 3 由于植物工厂占地面积巨大 不 易推广应用等缺点 微型植物工厂应运而生 微型植 物工厂的尺寸仅有冰箱大小 结构简单 在一个密闭 的工作空间内 是植物工厂技术的浓缩 它是通过智 能自动控制系统来控制作物生长的环境 为其提供适 宜的温度 湿度 光照及成分配比合理的营养液等 4 7 微型植物工厂的兴起 为城市居民生活带来极大方 便 不仅提供绿色无公害的蔬菜 而且可增加氧气 降低室内二氧化碳 也可以作为美化家居 绿色装 饰 增添了居民的生活乐趣 4 5 随着互联网技术的迅速发展 将该技术融入到 微型植物工厂中 可以帮助用户在使用微型植物工 厂期间做出基于物联网的微型植物工厂智能化监控 系统开发智能化的判断和决策 近年来 基于物联网 的微型植物工厂快速发展 目前还停留在试验阶段 没有真正推向市场 如何实现家庭用智能化 傻瓜化 的目标 成为目前微型植物工厂取得良好实用性的 关键 因此 针对具体的作物生长模型实现多目标下 的微型植物工厂远程环境调控已经成为亟待解决的 问题 6 7 1 系统整体方案设计 本试验在江苏省现代农业装备工程中心的微型 植物工厂内进行 利用植物工厂内的空调 加湿器 补光灯 水循环等设备 通过LoRa网关采集植物工 厂内各栽架内的温度 湿度 光照强度 CO 2 浓度 土 壤温湿度等环境参数 设计了一种基于LoRa和组态 软件的微型植物工厂智能监控系统 该系统主要实 现的功能是 实时监测植物工厂内的环境参数 实时 显示植物工厂执行机构的状态 在线设定温度 湿度 等参数的上限下限值以及设备执行的延时时间 各 参数的实时趋势图 历史趋势图 实时数据库 历史 数据库报表的查询打印等功能 环境参数超出预定 值报警及执行机构异常报警等 用户外出时可通过 手机 电脑 或将其托管给服务器 远程管理微型植 物工厂 一定程度上缓解了城市居民缺乏经验或时 间管理微型植物工厂的问题 8 本系统采用ForceControlV7 0版本的力控组态 基于LoRa和组态软件的植物工厂环境监控系统的研究与实现 张志伟 1 2 赵 霞 1 2 高菊玲 1 2 1 江苏农林职业技术学院机电工程学院 江苏 句容 212400 2 江苏省现代农业装备工程中心 江苏 句容 212400 摘 要 为实现植物工厂内环境参数的采集和智能远程监控 研究并开发出一套基于LoRa无线数 据采集系统和组态软件 力控组态 的智能监控系统 组态软件为控制系统的上位机 基于LoRa无 线网关和无线传感节点来采集植物工厂内部的环境参数 通过Modbus通讯协议实现上位机与Lo Ra网关之间的通讯 并在工控机的上位机软件中实时显示植物工厂的环境参数 通过组态软件来控 制PLC 实现对执行机构如补光灯 加湿器 空调等进行精准控制 试验在江苏省现代农业装备工程 中心的植物工厂中进行 试验结果证明该系统性价比高 鲁棒性好 提高了植物工厂环境参数采集 的稳定性和准确性 关键词 植物工厂 LoRa 组态软件 智能监控系统 Agricultural Equipment Technology Vol 47 4 Aug 2021 第47卷第4期 2021年8月 农业装备技术 14 总第224期 2 系统硬件设计 LoRa网关系统采用的是STC8A8K64S4A12芯 片 该芯片不需要外部复位和晶振电路 接入电源即 可工作 提供IDEL和STOP两种低功耗模式 最低 可降至0 1 A以下 拥有4个串口 其中一个串口 用于MCU的程序下载使用 剩余3个串口用于Lo Ra模块使用 如图2为LoRa网关采集模块电路原 理图 LoRa模块选择的正点原子的ATK LORA 01 模块 该模块可支持透明传输和定向传输 其中透明 传支持点对点传输 点对多传输和广播监听 模块工 作频率410 441MHz 通讯距离 3000m 无线速 软件为上位机 西门子200smart LoRa网关为下位 机 通过Modbus通讯协议实现与网关通讯 将传感 器采集的环境参数接收到监控系统中 通过RS485 串口通信接口与下位机PLC进行通信 进而根据控 制决策通过输出接口对执行机构进行过程控制 本 系统支持本地手动控制与远程Android端与Web端 控制 本地通过工控机实现对植物工厂的实时控制 如图1所示为系统框架图 图1 系统框架图 图2 LoRa 网关采集模块电路原理图 风机 空调 补光灯 加湿器 云服务 PLC控制器 Android端 LoRa网关 Web端 LoRa网关 温度 湿度 光照强度 CO 2 浓度 张志伟 等 基于LoRa和组态软件的植物工厂环境监控系统的研究与实现 AET2021 4 15 总第224期 率19200bps MAX 适用于远距离数据传输 ATK LORA 01模块如图3所示 图3 ATK LORA 01模块 考虑到植物工厂面积大 传感器安装位置等 将传感器设计成分体式 一共3个监测节点 其中 图4 a 为光照强度采集节点 图4 b 为CO 2 浓度采集 节点 图4 c 为环境温湿度采集节点 图4 d 为Lora 汇聚网关 3 组态软件设计 在组态软件中完成设备通信和I O数据库组态 后 根据系统需求在组态软件中进行监控界面的开 发 组态软件的监控界面是人机交互的重要媒介 力 控软件为界面的开发提供了多样的图库 使得界面 开发更加简单丰富 在组态界面中 制作的功能主要有 用户管理 手自动控制 历史参数查询 实时趋势图 设备运行 状态 故障报警 定时 控制策略编写等功能 组态软 件监控界面如图5所示 a b c d 图5 组态软件监控界面 图4 温室环境监测系统硬件实物 农业装备技术 AET 2021 4 16 总第224期 术 填补国内温室蔬菜秸秆切碎除虫深还田机械化 作业领域的技术空白 解决目前温室蔬菜秸秆处理 难度大 成本高 易引发病虫害爆发等问题 使秸秆 资源化 大幅度减少农药和各种肥料的使用量 改善 设施种植环境 实现设施蔬菜绿色循环生产 参考文献 1 陈丽娟 秸秆堆沤快速腐熟还田技术 J 农村新技术 2010 8 73 74 2 付秀民 郝德刚 徐安乐 蔬菜秸秆还田配套机械化技术应 用研究 J 农民致富之友 2018 12 173 3 刘兰清 秸秆还田和氮肥对土壤理化性质及作物产量的 影响研究 D 咸阳 西北农林科技大学 2018 4 李新华 郭洪海 朱振林 等 不同秸秆还田模式对土壤有机 碳及其活性组分的影响 J 农业工程学报 2016 32 9 130 135 图1 温室蔬菜秸秆还田克服连作障碍关键技术具体路线 4 系统调试运行 将网关通电 打开安装在工控机上的力控组态 软件即可通过监控界面对植物工厂内的执行机构进 行控制 同时实时显示当前微型植物工厂内的环境 参数 现场操作人员可以通过上位机将温度 湿度的 上下限值输入 电机自动运行即可 当微型植物工厂 内的环境参数超出预定值时 控制系统将根据控制 策略向PLC发送控制指令 继而控制微型植物工厂 内的执行机构 完成养护工作 5 结 语 基于物联网技术 将本地传感器信息采集 无线 传输网络 手机端应用软件和Web端应用软件相结 合 开发出了一套应用于微型植物工厂的远程智能 监控系统 通过该系统用户可以远程实时查看微型 植物工厂状态信息 即时干预控制 查看微型植物工 厂的历史环境信息 分析作物的长势与环境信息的 关系 为下一批次作物种植的环境优化调控提供参 考 用户缺乏时间或经验管理微型植物工厂时 可以 将其托管给专家或服务器代为管理 试验结果表明 在应用试验中各功能模块工作正常 作物长势良好 目前系统运行稳定 对操作人员的技能要求低 能够 达到现场控制要求 便于家庭使用 参考文献 1 贾鹤鸣 张森 宋文龙 等 基于CFD的微型植物工厂湿热 环境数值分析 J 林业工程学报 2018 3 6 122 127 2 左志宇 徐超 毛罕平 等 微型植物工厂环境控制参数优化 试验研究 J 机化研究 2020 42 12 150 155 3 李冠男 郭奇梅 高峰 等 植物工厂项目建设的价值及关键 技术和创新探究 J 现代园艺 2021 44 4 193 194 4 王志冉 张晓文 马铁 等 植物工厂的研发与应用 J 湖南农 业科学 2021 1 61 65 5 吴晨溶 程瑞锋 方慧 等 基于CFD的植物工厂管道通风模 拟及优化 J 中国农业大学学报 2021 26 1 78 87 6 高菊玲 刘永华 基于风扇差速调节的微型植物工厂温度精 准控制 J 江苏农业学报 2020 36 6 1543 1550 7 杨其长 植物工厂现状与发展战略 J 农业工程技术 温室 园艺 2016 6 10 9 12 8 涂俊亮 邱权 秦琳琳 等 微型植物工厂内部环境调控试验 平台研制及试验 J 农业工程学报 2015 31 2 184 190 上接第13页 张志伟 等 基于LoRa和组态软件的植物工厂环境监控系统的研究与实现 AET2021 4 17