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 微型植物工廠應(yīng)運而生 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 目前還停留在試驗階段 沒有真正推向市場 如何實現(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用性的 關(guān)鍵 因此 針對具體的作物生長模型實現(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 本試驗在江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心的微型 植物工廠內(nèi)進行 利用植物工廠內(nèi)的空調(diào) 加濕器 補光燈 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 光照強度 CO 2 濃度 土 壤溫濕度等環(huán)境參數(shù) 設(shè)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(tǒng) 該系統(tǒng)主要實 現(xiàn)的功能是 實時監(jiān)測植物工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù) 實時 顯示植物工廠執(zhí)行機構(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)行的延時時間 各 參數(shù)的實時趨勢圖 歷史趨勢圖 實時數(shù)據(jù)庫 歷史 數(shù)據(jù)庫報表的查詢打印等功能 環(huán)境參數(shù)超出預(yù)定 值報警及執(zhí)行機構(gòu)異常報警等 用戶外出時可通過 手機 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)驗或時 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 基于LoRa無 線網(wǎng)關(guān)和無線傳感節(jié)點來采集植物工廠內(nèi)部的環(huán)境參數(shù) 通過Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)上位機與Lo Ra網(wǎng)關(guān)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(shù) 通過組態(tài)軟件來控 制PLC 實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)如補光燈 加濕器 空調(diào)等進行精準(zhǔn)控制 試驗在江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程 中心的植物工廠中進行 試驗結(jié)果證明該系統(tǒng)性價比高 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 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(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)為下位 機 通過Modbus通訊協(xié)議實現(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PLC進行通信 進而根據(jù)控 制決策通過輸出接口對執(zhí)行機構(gòu)進行過程控制 本 系統(tǒng)支持本地手動控制與遠(yuǎn)程Android端與Web端 控制 本地通過工控機實現(xiàn)對植物工廠的實時控制 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 空調(diào) 補光燈 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(wǎng)關(guān) 3 組態(tài)軟件設(shè)計 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(shù)查詢 實時趨勢圖 設(shè)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(tǒng)硬件實物 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) AET 2021 4 16 總第224期 術(shù) 填補國內(nèi)溫室蔬菜秸稈切碎除蟲深還田機械化 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 實現(xiàn)設(shè)施蔬菜綠色循環(huán)生產(chǎn) 參考文獻 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 碳及其活性組分的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 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)試運行 將網(wǎng)關(guān)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(nèi)的執(zhí)行機構(gòu)進 行控制 同時實時顯示當(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將溫度 濕度的 上下限值輸入 電機自動運行即可 當(dāng)微型植物工廠 內(nèi)的環(huán)境參數(shù)超出預(yù)定值時 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)行機構(gòu) 完成養(yǎng)護工作 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)程實時查看微型 植物工廠狀態(tài)信息 即時干預(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 用戶缺乏時間或經(jīng)驗管理微型植物工廠時 可以 將其托管給專家或服務(wù)器代為管理 試驗結(jié)果表明 在應(yīng)用試驗中各功能模塊工作正常 作物長勢良好 目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定 對操作人員的技能要求低 能夠 達到現(xiàn)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(shù)值分析 J 林業(yè)工程學(xué)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(shù)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(shè)的價值及關(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 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 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 平臺研制及試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(tǒng)的研究與實現(xiàn) AET2021 4 17