<p>2019 年4 月第30 卷 第2 期照明工程學(xué)報(bào)ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOApr 2019Vol. 30 No. 2LED家庭植物工廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)韓麗麗1，3，程 崢2，牛萍娟1，3，田海濤1，3，梁立君1，3，劉 雷1，羅德智1(1. 天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387; 2. 天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387; 3. 天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程中心，天津 300387)摘 要: 針對現(xiàn)有家庭植物工廠控制系統(tǒng)生產(chǎn)成本高、營養(yǎng)液凈化不徹底、云平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例少的問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種LED家庭植物工廠控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32為核心處理器，采用LED模組對植物進(jìn)行補(bǔ)光，并將深紫外LED技術(shù)應(yīng)用到營養(yǎng)液凈化領(lǐng)域; 移植UCOSIII嵌入式系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求; 移植EMWIN進(jìn)行了LCD人機(jī)交互模塊開發(fā); 通過WIFI模塊接入機(jī)智云云平臺(tái)，并基于機(jī)智云提供的SDK包以及Android開源框架開發(fā)了一款A(yù)ndroid APP，實(shí)現(xiàn)了對家庭植物工廠的遠(yuǎn)程調(diào)控。整體測試結(jié)果表明，系統(tǒng)各項(xiàng)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有較高的可靠性，而且成本較低，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。關(guān)鍵詞: 家庭植物工廠; LED補(bǔ)光; 深紫外LED; UCOSIII; 機(jī)智云; Android中圖分類號: S126; TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A DOI: 10. 3969j. issn. 1004-440X. 2019. 02. 016Design of LED Family Plant Factory Control SystemHAN Lili1，3，CHENG Zheng2，NIU Pingjuan1，3，TIAN Haitao1，3，LIANG Lijun1，3，LIU Lei1，LUO Dezhi1(1. School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;2. School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;3. Engineering of esearch Center of High Power Solid State Lighting Application Systemof Ministry of Education，Tianjin 300387，China)Abstract: Aiming at the problems of high production cost of the existing family plant factory controlsystem，incomplete purification of nutrient solution and few application examples of cloud platformtechnology，an LED family plant factory control system is designed and developed The system uses STM32as the core processor，uses LED modules to fill the plants，and applies UVC LED technology to the field ofnutrient cleaning It transplants the UCOSIII embedded system to meet the real-time requirements of thesystem and transplants EMWIN for LCD human-computer interaction module development It accesses theGizwits platform through the WIFI module，and develops an Android APP based on the SDK packageprovided by the Gizwits platform and the Android open source framework The remote control of the homeplant factory is realized The overall test results show that the performance of the system has reached thedesign requirements，with high reliability and low cost，which meets the needs of practical applicationsKey words: family plant factory; LED fill light; UVC LED; UCOSIII; Gizwits; Android基金項(xiàng)目: 國家火炬計(jì)劃 (批準(zhǔn)號: 2015GH611592)，天津市科技計(jì)劃 (批準(zhǔn)號: 18YFZCNC01160)，天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)計(jì)劃 (批準(zhǔn)號: TD13-5035)72 照明工程學(xué)報(bào) 2019 年4 月圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig. 1 Design of system function引言近年來，隨著植物工廠 LED 照明研究的深入，新成果不斷涌現(xiàn)1 3。LED 光源具有體積小、壽命長、光色可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是全人工光型植物工廠的理想光源4 6。隨著大型植物工廠研究不斷深入，家庭植物工廠受到人們越來越多的關(guān)注。2010 年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院推出了一款“低碳·智能·家庭植物工廠”，它包含三層立體栽培空間，所用光源為白光 LED7。2012 年北京某公司研制了一種適合于樓宇、家庭使用的 JPWZ-1 家庭植物工廠，實(shí)現(xiàn)了栽培區(qū)的溫濕度環(huán)境的精準(zhǔn)控制8。2015 年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制出了兩種型號的家庭植物工廠9。目前我國研發(fā)的家庭植物工廠控制系統(tǒng)大多選用PLC 作為核心控制器，成本較高; 在營養(yǎng)液循環(huán)過程中，會(huì)出現(xiàn)有害微生物和植物自毒物質(zhì)，依靠現(xiàn)有技術(shù)往往凈化不徹底; 且應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)衍生出的設(shè)備云平臺(tái)技術(shù)的實(shí)例很少。以上這些問題有待改進(jìn)。我們通過對現(xiàn)有的家庭植物工廠控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)合嵌入式技術(shù)、LED 光源技術(shù)、無線通信技術(shù)、設(shè)備云平臺(tái)技術(shù)、智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種 LED 家庭植物工廠控制系統(tǒng)。1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1) 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。如圖1 所示，LED 家庭植物工廠控制系統(tǒng)由核心處理器、傳感器、LCD人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源、WIFI通信模塊、輸出控制模塊以及 Android APP 組成。傳感器模塊實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)內(nèi)光照強(qiáng)度、溫濕度、CO2濃度、營養(yǎng)液溫度、EC、pH 和液位等環(huán)境和營養(yǎng)液因子數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確采集; 通過在4. 3 寸LCD 觸摸屏上搭建人機(jī)交互模塊，可以實(shí)時(shí)顯示環(huán)境和營養(yǎng)液因子數(shù)據(jù)信息，并對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行操控; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由SPI FLASH、SD 卡組成，SPI FLASH 用來存放字庫信息，解決核心處理器的 AM 不足的問題，SD卡用來更新字庫信息，采用 FATFS 文件系統(tǒng)管理; 核心處理器是控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析決策，等待LCD 觸摸屏或Android APP的指令，發(fā)送相應(yīng)的控制命令，從而調(diào)節(jié)輸出控制模塊，使環(huán)境和營養(yǎng)液因子始終保持在適合植物生長發(fā)育的合理范圍內(nèi); 輸出控制模塊由加熱器、加濕器、制冷器、通風(fēng)扇、CO2小鋼瓶、LED 補(bǔ)光模組、深紫外 LED 凈水模組、水泵、蠕動(dòng)泵組成; 通過 WIFI 模塊和路由器接入機(jī)智云云平臺(tái)，并基于機(jī)智云提供的 SDK 包以及Android開源框架開發(fā)了一款 Android APP，實(shí)現(xiàn)了第30 卷第2 期 韓麗麗等: LED家庭植物工廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 73對家庭植物工廠控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)控。2) 控制系統(tǒng)工作方式。核心處理器每隔10 s接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，采用狄克松準(zhǔn)則和卡爾曼濾波相結(jié)合的傳感器數(shù)據(jù)融合方案，將環(huán)境和營養(yǎng)液因子的數(shù)據(jù)信息顯示在LCD觸摸屏和Android APP上，再根據(jù)設(shè)定的環(huán)境因子的閾值進(jìn)行判定，對系統(tǒng)內(nèi)的輸出控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，其中，LED補(bǔ)光模組和深紫外LED模組通過PWM占空比進(jìn)行調(diào)節(jié); 加熱器、加濕器以及CO2小鋼瓶等電氣設(shè)備的開啟與關(guān)閉通過控制繼電器的打開和閉合進(jìn)行調(diào)節(jié); 水泵和蠕動(dòng)泵通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出相應(yīng)的脈沖進(jìn)行控制。家庭植物工廠系統(tǒng)采用LED模組進(jìn)行補(bǔ)光，利用水泵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)液的循環(huán)，應(yīng)用深紫外 LED模組對循環(huán)的營養(yǎng)液進(jìn)行凈化，調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵完成滴加酸堿液的操作，并采用 CO2小鋼瓶和通風(fēng)扇協(xié)同進(jìn)行CO2濃度的調(diào)控，其中深紫外LED模組、水泵作為環(huán)境調(diào)控設(shè)備均使用定時(shí)控制方式，可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速或調(diào)光等功能。光照強(qiáng)度、溫度、濕度、營養(yǎng)液溫度、pH 則根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行自動(dòng)控制。溫度低于設(shè)定值時(shí)可以觸發(fā)加熱器啟動(dòng)進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，加熱器關(guān)閉。其他環(huán)境和營養(yǎng)液因子的調(diào)控方式與溫度類似，滿足植物正常生長發(fā)育對環(huán)境和營養(yǎng)液因子的需求。3) LED家庭植物工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。LED家庭植物工廠在結(jié)構(gòu)上與大型植物工廠相比有很大差別，需要根據(jù)要求做出合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。LED家庭植物工廠上面三層為植物栽培區(qū)，在每層LED模組和栽培區(qū)之間添加了隔熱材料，以防止 LED 散熱對栽培區(qū)的溫濕度造成影響; 家庭植物工廠最下面一層是設(shè)備控制區(qū)，主要用于放置加熱器、制冷器、CO2小鋼瓶、營養(yǎng)液槽、水泵、蠕動(dòng)泵以及深紫外LED模組等環(huán)境和營養(yǎng)液因子調(diào)控設(shè)備; 營養(yǎng)液儲(chǔ)存在底層的營養(yǎng)液槽內(nèi)，通過營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)對各層進(jìn)行循環(huán)供給; 在家庭植物工廠頂部安放了一塊4. 3 寸的 LCD 觸摸屏，可以實(shí)時(shí)顯示家庭植物工廠內(nèi)部的環(huán)境信息，選擇運(yùn)行模式并對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。在植物栽培區(qū)每層各安放了一個(gè)光照強(qiáng)度傳感器、溫濕度傳感器、CO2傳感器、加熱器、加濕器，并且在栽培區(qū)背面安裝了兩個(gè)通風(fēng)扇，用于家庭植物工廠內(nèi)外環(huán)境中CO2氣體的循環(huán)交換。在營養(yǎng)液槽內(nèi)安放了一個(gè)營養(yǎng)液溫度傳感器、pH傳感器、EC傳感器、液位傳感器、加熱器、制冷器、蠕動(dòng)泵，蠕動(dòng)泵用于滴加酸堿液進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，并且可以通過改變水泵的速度從而控制營養(yǎng)液的流速。此外，在營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)中，安放了一塊深紫外LED 模組對循環(huán)的營養(yǎng)液進(jìn)行凈化，解決營養(yǎng)液在循環(huán)過程中產(chǎn)生有害微生物和植物自毒物質(zhì)引發(fā)的病蟲害問題。圖2 LED家庭植物工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig. 2 Design of LED family plant factory structure2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)LED 家庭植物工廠控制系統(tǒng)硬件由核心處理器、傳感器、LCD 人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源、WIFI 通信模塊、輸出控制模塊組成。選用220 V AC轉(zhuǎn)12 V DC的外接電源作為家庭植物工廠控制系統(tǒng)的總電源，12 V DC 電源可以作為驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵的步進(jìn)電機(jī)和水泵的直流電機(jī)的供電電源，通過設(shè)計(jì)降壓電路產(chǎn)生5 V、3. 3 V直流電源向STM32芯片及各個(gè)外接模塊供電。1) 核心處理器?？紤]到本系統(tǒng)外接傳感器和輸出控制模塊比較多，并且通過移植EMWIN搭建LCD觸摸屏人機(jī)交互模塊，需要用到較多的 MCU 資源，選用STM32F103ZET6 作為核心處理器。它具有112個(gè)通用I/O口、64 kB SAM、512 kB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)高級定時(shí)器、2 個(gè)DMA控制器、3 個(gè) SPI、2 個(gè) IIC、5 個(gè)串口、1 個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12 位ADC、1 個(gè)12 位DAC、1個(gè)SDIO接口、1 個(gè)FSMC 接口11。在此芯片基礎(chǔ)上搭建STM32最小系統(tǒng)電路，同時(shí)搭建外圍電路實(shí)現(xiàn)環(huán)境和營養(yǎng)液因子采集、LCD人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、74 照明工程學(xué)報(bào) 2019 年4 月WIFI通信、LED補(bǔ)光模組和深紫外LED凈水模組的PWM調(diào)光、輸出設(shè)備控制等各項(xiàng)功能。2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。由于在TFTLCD上需要顯示漢字，本文選用一個(gè)顯示速度快且不會(huì)占用大量AM的漢字顯示方法，即把字庫存放在 SPI FLASH中。選用華邦的大容量 SPI FLASH 產(chǎn)品 W25Q128，容量為 128 Mb，并支持標(biāo)準(zhǔn) SPI 驅(qū)動(dòng)模式12。STM32與SPI FLASH 的連接電路如圖3 ( a) 所示。其中 CS 為 W25Q128 的片選信號，由 STM32 控制;CLK為時(shí)鐘信號，由 STM32 產(chǎn)生; SO 為 W25Q128輸出數(shù)據(jù)到 STM32 中; SI 為 STM32 輸出數(shù)據(jù)到W25Q128中。STM32和W25Q128 都有一個(gè)串行移位寄存器，STM32通過向SPI串行寄存器寫入一個(gè)字節(jié)來啟動(dòng)傳輸。寄存器通過MOSI信號線將字節(jié)傳送到W25Q128，并通過MISO信號線將其自身移位寄存器的內(nèi)容返回給 STM32，從而交換兩個(gè)移位寄存器的內(nèi)容。在某些情況下，可能會(huì)根據(jù)自己的需求制作其他字體的漢字字庫，一旦制作完成就需要更新 SPIFLASH字庫，本文選用一個(gè)1 GB 的 MicroSD 卡來存儲(chǔ)制作好的字庫文件，然后將其更新到 SPIFLASH中。選用 STM32 自帶的 SDIO 接口驅(qū)動(dòng) SD卡模塊，STM32 與 SD 卡模塊的連接電路如圖 3( b) 所示。在 SDIO 模式下，STM32 使用四條數(shù)據(jù)線與SD卡通信，每條數(shù)據(jù)線連接一個(gè)47 k上拉電阻。STM32 主機(jī)通過 CLK 信號線控制時(shí)鐘輸出，通過CMD信號線向SD卡模塊發(fā)送控制命令13。3) LED模組及LED驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)和相關(guān)研究14 17，設(shè)計(jì)LED補(bǔ)光模組和深紫外LED凈水模組，其外形如圖4所示。LED補(bǔ)光模組采用15顆660 nm的紅光LED和3顆450 nm的藍(lán)光LED串聯(lián)而成，深紫外LED凈水模組采用2顆日本Bioraytron公司最新研發(fā)的275 nm的深紫外LED串聯(lián)而成。本文采用 PAM2861 降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了 LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)LED補(bǔ)光模組和深紫外LED凈水模組并實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)光。PAM2861 是一款適用于單個(gè)或多個(gè)大功率LED串聯(lián)使用的中低電壓范圍的LED恒流降壓驅(qū)動(dòng)芯片。PAM2861 可以接受6 40 V的寬范圍輸入電壓，最大輸出電流可以達(dá)到1. 5 A，功率最高可達(dá)24 W，恒流輸出精度為2%，效率高達(dá)97%以上。輸出電流可通過對 VSET 引腳進(jìn)行 PWM 調(diào)節(jié)，PWM 頻率為 100 1 000 Hz，圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路Fig. 3 Circuit of data storage module圖4 LED補(bǔ)光模組和深紫外LED凈水模組Fig. 4 Module of LED fill light and deep ultraviolet LED water purificationPWM最高輸入電壓是5 V，占空比從0 100%變化，可調(diào)整輸出電流的范圍從16% 100%，當(dāng)此引腳輸入電壓小于0. 3 V時(shí)，芯片會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。第30 卷第2 期 韓麗麗等: LED家庭植物工廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 75圖5 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路Fig. 5 Circuit of LED constant current drivingLED模組的電流大小由連接在 VIN 和 CS 兩端的電阻 決定，將 STM32F1ZET6 芯片產(chǎn)生的 PWM信號送至PAM2861 芯片的VSET引腳上實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能，LED 橫流驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流會(huì)發(fā)生變化。LED的亮度是由 LED 的電流決定，取決于 PWM 信號的占空比。一般情況下應(yīng)設(shè)定 PWM 調(diào)光頻率在120 Hz 以上，以免人眼能夠看到 LED 的閃爍。PAM2861 調(diào)光頻率最高可達(dá)到20 kHz。在輸入電源附近必須接一個(gè)旁路電容，旁路電容越大，效率損失會(huì)變大。該旁路電容必須要承受較大的電流，并能減小對輸入電源的沖擊。當(dāng)為直流電源輸入時(shí)，旁路電容的值最小為4. 7 F，旁路電容應(yīng)當(dāng)與芯片的輸入引腳盡量靠近18。對于二極管的選擇，為了保證最大的效率，考慮到肖基特二極管正向壓降低且漏電低，選擇肖特基二極管 SS36。對于電感的選擇，由于 PAM2861恒流驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流在700 mA 左右，因此使用的電感大小為100 H 左右，一般電感的飽和電流與輸出電流相比高30% 50%。圖6 軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig. 6 Process of software system operation3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)1) 軟件系統(tǒng)主程序。本文搭建的家庭植物工廠控制系統(tǒng)采用的核心處理器為 STM32F103ZET6，它的開發(fā)平臺(tái)為由德國著名的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務(wù)供應(yīng)商KEIL公司設(shè)計(jì)研發(fā)的MDK5，使用uVision5IDE集成開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖6 所示。首先對系統(tǒng)的時(shí)鐘、定時(shí)器、I/O、SPI、IIC、ADC、SDIO、FSMC、USAT等接口初始化，之后進(jìn)76 照明工程學(xué)報(bào) 2019 年4 月行外圍設(shè)備的初始化，然后建立UCOSIII嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，新建起始任務(wù)，并在起始任務(wù)里創(chuàng)建了包括傳感器采集、LCD 人機(jī)交互、Gizwits 協(xié)議通信、字庫更新、輸出控制決策等多個(gè)等待任務(wù)。這些等待任務(wù)在UCOSIII里作為并行線程執(zhí)行。它們通過信號量和郵箱相互通信。整個(gè)過程構(gòu)成了家庭植物工廠系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)運(yùn)行流程。2) LCD人機(jī)交互模塊軟件設(shè)計(jì)。EMWIN 是由德國的SEGGE公司開發(fā)的UI圖形界面庫，采用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文通過在 STM32 中移植 EMWIN制作了家庭植物工廠的 LCD 人機(jī)交互界面，包含EMWIN在STM32 上的移植和 LCD 人機(jī)交互的軟件設(shè)計(jì)。EMWIN 在 STM32 上的移植主要包含添加GUI_ X_ UCOSIII c 文件、修改 EMWIN 庫文件以及修改GUIConf h文件三部分。圖7 為家庭植物工廠系統(tǒng)的 LCD 人機(jī)交互界面。圖7 ( a) 是本系統(tǒng)的主界面，由模式選擇、PWM控制、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備控制四個(gè)圖標(biāo)組成。圖7 ( b) 是模式選擇界面，采用機(jī)智云Gizwits協(xié)議中自帶的NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間請求函數(shù) giwitsGetNTP () 來判斷WIFI模塊是否成功接入機(jī)智云服務(wù)器，成功連接服務(wù)器后，每秒調(diào)用 gizwitsGetNTP () 函數(shù)來請求NTP 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，WIFI 模組收到請求后，會(huì)產(chǎn)生WIFI_ NTP事件，事件中就會(huì)打印當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，以此來判斷是否連接機(jī)智云服務(wù)器，另外設(shè)置一個(gè)模式選擇按鈕，如果設(shè)置為自動(dòng)模式，設(shè)備控制界面中的按鈕就會(huì)失效。圖7 ( c) 為 PWM 控制界面，可以實(shí)現(xiàn)對 LED 補(bǔ)光燈的 PWM 調(diào)光和水泵直流電機(jī)的PWM 調(diào)速操作。圖7 ( d) 為設(shè)備控制界面，對系統(tǒng)內(nèi)的各類輸出設(shè)備進(jìn)行控制。圖7 LCD人機(jī)交互界面Fig. 7 Interface of LCD human-computer3) 云平臺(tái)接入與移動(dòng)端開發(fā)。本文搭建的家庭植物工廠控制系統(tǒng)的無線通信方案是選用燒錄GAgent固件的 WIFI 模塊 ESP8266 通過 GIZWITS 協(xié)議接入機(jī)智云云端，STM32 與 ESP8266 之間采用互相發(fā)送請求與應(yīng)答指令的方法，實(shí)現(xiàn)兩者的串口通信19。設(shè)備上電后，當(dāng)ESP8266 首次訪問機(jī)智云云端時(shí)，需要通過按鍵選擇Airlink模式或者SoftAP模式。當(dāng)ESP8266 處在Airlink模式下，它將連續(xù)接收特定編碼的 WIFI 廣播包，手機(jī)連接可用的 WIFI后，通過APP發(fā)送編碼后的WIFI網(wǎng)絡(luò)的 SSID 和密碼廣播，ESP8266 接收到之后自動(dòng)嘗試連接 WIFI，本文采用的ESP8266 已經(jīng)燒錄了GAgent協(xié)議，內(nèi)置了此模式。當(dāng)ESP8266 處在SoftAP 配置模式時(shí)，它將成為一個(gè)無線訪問接入點(diǎn)，手機(jī)可直接與它進(jìn)行第30 卷第2 期 韓麗麗等: LED家庭植物工廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 77連接，然后輸入路由器的SSID和密碼，ESP8266 接收到信息的時(shí)候會(huì)自動(dòng)嘗試連接路由器。ESP8266通過Gizwits協(xié)議成功接入云端后，會(huì)進(jìn)入一個(gè)無限的循環(huán)，向STM32 發(fā)送讀取設(shè)備狀態(tài)指令，STM32每隔10 分鐘主動(dòng)向ESP8266 上報(bào)設(shè)備狀態(tài)值。機(jī)智云云平臺(tái)接入軟件設(shè)計(jì)流程如圖8 所示。圖8 機(jī)智云云平臺(tái)接入軟件流程Fig. 8 Process of gitwits platform access software機(jī)智云云平臺(tái)目前為用戶提供了3 套 SDK 包:原生 SDK、Android 平臺(tái)原生 SDK、APICloud 跨平臺(tái)SDK。通過使用這些SDK包，可以無需關(guān)注復(fù)雜的通信協(xié)議，只需要進(jìn)行簡單的代碼修改和 UI 設(shè)計(jì)，快速地進(jìn)行 APP 的開發(fā)。本文首先在機(jī)智云Demo APP上進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)試，之后在 Eclipse 開發(fā)環(huán)境中上進(jìn)行了家庭植物工廠的 Android APP開發(fā)。首先在機(jī)智云開發(fā)者中心生成家庭植物工廠的SDK包，將SDK包解壓后的libs目錄下所有內(nèi)容復(fù)制到安卓 APP 開源框架的 libs 目錄。然后，開放AndroidManifest xml中的所有SDK打印級別，以實(shí)現(xiàn)APP與機(jī)智云的通信，同時(shí)，注冊SDK監(jiān)聽器用于回調(diào)SDK中定義的注冊、登錄、配置設(shè)備和綁定設(shè)備等回調(diào)接口。最后進(jìn)行 APP 的 UI 設(shè)計(jì)，添加BindingDeviceActivity 以回調(diào)綁定的設(shè)備，完成Android APP的快速開發(fā)。圖9 為本文制作的家庭植物工廠的Android APP。用戶首先需要通過手機(jī)綁定注冊，填寫登錄密碼，實(shí)現(xiàn)登錄操作，并且提供了找回密碼功能。環(huán)境監(jiān)測界面可以讓用戶了解當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境和營養(yǎng)液因子的實(shí)時(shí)信息。電氣控制界面可以實(shí)現(xiàn)對 LED 補(bǔ)光燈調(diào)光和水泵調(diào)速的操作，并能輸出設(shè)備進(jìn)行控制，這里設(shè)置了一個(gè)自動(dòng)模式，在自動(dòng)模式下，各類環(huán)境和營養(yǎng)液因子會(huì)通過閾值進(jìn)行自動(dòng)控制。閾值設(shè)置界面可以讓用戶對各類環(huán)境和營養(yǎng)液因子的閾值進(jìn)行改變。圖9 Android APP界面Fig. 9 Interface of Android APP78 照明工程學(xué)報(bào) 2019 年4 月4 系統(tǒng)測試4. 1 LED驅(qū)動(dòng)電路及深紫外LED模組測試對于LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路的測試，在室溫25 的條件下進(jìn)行，測試LED恒流驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。當(dāng)輸入端電流發(fā)生變化時(shí)，查看PAM2861 輸出端的電流情況，測試結(jié)果如圖10 ( a)所示。從圖中可以看出，PAM2861 輸出端的電流穩(wěn)定在 700 mA 左右，滿足 LED 補(bǔ)光模組和深紫外LED模組的電流要求。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的效率與輸入電壓之間的關(guān)系如圖10 ( b) 所示。從圖中可以看出，當(dāng)輸入電壓在11 30 V之間變化時(shí)，其效率大于80%。當(dāng)PWM頻率設(shè)定在200 Hz時(shí)，PWM占空比與電流的關(guān)系如圖 10 ( c) 所示。從圖中可以看出，當(dāng)PWM占空比從0 上升至100%時(shí)，PAM2861 輸出端電流從0 mA上升到700 mA，滿足LED補(bǔ)光模組和深紫外LED模組的調(diào)光要求。深紫外LED模組光譜測試結(jié)果如圖10 ( d) 所示。從圖中可以看出，測試光譜主要分布在275 mm附近，符合深紫外 LED 模組用于營養(yǎng)液凈化的需求。圖10 LED驅(qū)動(dòng)電路及深紫外LED模組測試Fig. 10 Test of LED driver circuit and deep UV LED module4. 2 LCD人機(jī)交互模塊及移動(dòng)端測試在LCD人機(jī)交互模塊的設(shè)備控制界面中，分別測試加熱器指令、加酸指令及深紫外指令，任意兩種組合指令、三種組合指令各測試 10 次、50 次、100 次、200 次和500 次。計(jì)算指令碼失效的次數(shù)，其中失效率為失效次數(shù)占測試次數(shù)的百分比。將結(jié)果記錄在表1 中?？梢园l(fā)現(xiàn)，各模塊運(yùn)行情況良好，符合控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求。在小米 MIX2 中進(jìn)行了移動(dòng)端的測試，打開Android APP，輸入帳號和密碼，在環(huán)境監(jiān)測界面中可以查看環(huán)境和營養(yǎng)液因子的數(shù)據(jù)信息。在電氣控制界面中，分別測試加濕器指令、加堿指令和深紫外指令，任意兩種組合指令、三種組合指令表1 指令失效率測試表Table 1 Table of instruction failure rate test測試次數(shù)加熱器(繼電器)加酸(蠕動(dòng)泵)深紫外LED(恒流驅(qū)動(dòng)電路)兩種組合三種組合10 0% 0% 0% 0% 0%50 0% 0% 0% 0% 0%100 0% 1% 1% 1% 2%200 0. 5% 0. 5% 0. 5% 1% 1. 5%500 0. 4% 0. 6% 0. 4% 0. 8% 1. 2%第30 卷第2 期 韓麗麗等: LED家庭植物工廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 79各測試10 次、50 次、100 次、200 次和500 次。計(jì)算指令碼失效的次數(shù)，其中失效率為失效次數(shù)占測試次數(shù)的百分比。將結(jié)果記錄在表2 中。可以發(fā)現(xiàn)，Android APP的失效率比 LCD 人機(jī)交互模塊的失效率略高，可能的原因是手機(jī)信號不穩(wěn)定，但總體上滿足本文搭建的家庭植物工廠系統(tǒng)的應(yīng)用需求。4. 3 系統(tǒng)整體測試在Android APP 閾值設(shè)置界面中，分別輸入光照強(qiáng)度、溫度、濕度、營養(yǎng)液溫度、PH 的上下限參數(shù)，從早上8 點(diǎn)到晚上8 點(diǎn)每隔半個(gè)小時(shí)在云平臺(tái)上監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境和營養(yǎng)液因子數(shù)據(jù)信息的變化情況，結(jié)果如圖11 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度、溫度、濕度、營養(yǎng)液溫度在設(shè)置的閾值范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，符合本文搭建的家庭植物工廠的預(yù)期要求。表2 指令失效率測試表Table 2 Table of instruction failure rate test測試次數(shù)加濕器(繼電器)加堿(蠕動(dòng)泵)深紫外LED(恒流驅(qū)動(dòng)電路)兩種組合三種組合10 0% 0% 0% 0% 0%50 0% 0% 2% 2% 2%100 0% 2% 1% 1% 2%200 0. 5% 1. 5% 1. 5% 2% 2. 5%500 0. 6% 0. 8% 1. 2% 1. 4% 1. 8%圖11 系統(tǒng)整體測試Fig. 11 System overall test5 結(jié)語我們設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種LED家庭植物工廠控制系統(tǒng)，以STM32F103ZET6 作為核心處理器，移植了UCOSIII嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，通過 WIFI 模塊 ESP8266接入機(jī)智云云平臺(tái)，采用 LCD 觸摸屏和 AndroidAPP進(jìn)行人機(jī)交互。整體測試結(jié)果表明，系統(tǒng)各項(xiàng)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有較高的可靠性，而且成本較低，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。參 考 文 獻(xiàn)1牛萍娟，李艷艷，田會(huì)娟，等 基于 LabVIEW的智能LED 植物補(bǔ)光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44 (10): 394-398.2武志強(qiáng)，馮紅，路志明，等 雞舍 LED 光色智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 J 計(jì)算機(jī)測量與控制，2017，25(6): 234-237.3賀斐斐，曹春雨，劉景艷，等 基于并行粒子群算法的LED植物最優(yōu)補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46 (1): 165-168.4劉厚誠 LED 植物照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 J80 照明工程學(xué)報(bào) 2019 年4 月照明工程學(xué)報(bào)，2018，29 (4): 8-9.5劉彤，賀宏偉，李堯，等 基于Android平臺(tái)的家庭植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng) J 農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(4): 197-202.6王啟星，徐景宏，張昕昱，等 LED 植物補(bǔ)光源光量子通量密度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) J 照明工程學(xué)報(bào)，2018，29 (2): 53-59.7呂艷 數(shù)字植物工廠技術(shù)正式步入家庭生活J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2010 (12): 58-59.8商守海，周增產(chǎn)，卜云龍，等 JPWZ-1 型微型植物工廠的研制J 農(nóng)業(yè)工程，2012，2 (1): 44-47.9蘇志能，洪燕南，陳大華 微型植物工廠集裝箱模式的評述和探討 J 中國照明電器，2018 ( 8):12-16.10艾海波，魏晉宏，邱權(quán)，等 基于 STM32 的微型植物工廠溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究，2014，36 (5): 141-144.11郭偉軍，章國青，孫以澤 基于 STM32 和 PCL6045BL的經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44 (12): 36-39.12曹源 基于LD3320 的多場景語音識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)J科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017 (13): 70-71.13劉琨，許哲，李飛飛 基于AM微控制器的飛行數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì) J 電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44 ( 11):57-60.14牛萍娟，唐曉新，張文彬，等 植物生長用 LED 光源模組設(shè)計(jì)J 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34 ( 3):47-51.15靳肖林，文尚勝，付萌，等 LED 植物保鮮燈對玫瑰花保鮮的影響J 照明工程學(xué)報(bào)，2018，29 ( 4):39-44.16魏晶晶，宋世威，劉厚誠 紅藍(lán)光對蔬菜品質(zhì)影響的研究進(jìn)展 J 照明工程學(xué)報(bào)，2018，29 ( 4): 1-7+30.17張翔 淺析深紫外 LED 的前景與市場應(yīng)用價(jià)值J價(jià)值工程，2018，37 (33): 296-297.18楊磊 LED光源黃疸光療儀的研究D 天津: 天津工業(yè)大學(xué)，2018.19尚志躍，曾成，張馨，等 基于商業(yè)云平臺(tái)植物工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) J 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39 (9): 7-13.北京照明科技論壇暨北京照明學(xué)會(huì)成立四十周年慶典在北京召開2019 年4 月18日19日，由北京照明學(xué)會(huì)主辦、賽爾傳媒承辦的以“協(xié)作·發(fā)展·共榮”為主題的北京照明科技論壇暨北京照明學(xué)會(huì)成立四十周年慶典在北京新疆大廈盛大召開，活動(dòng)的召開，意在發(fā)揮行業(yè)組織力量，搭建交流平臺(tái)，整合資源，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，協(xié)作共贏。同時(shí)致敬過去，共期未來。引導(dǎo)行業(yè)同仁共同探討行業(yè)趨勢及熱點(diǎn)話題，為照明行業(yè)發(fā)展助力。來自全國各地的專家、學(xué)者、照明設(shè)計(jì)師等行業(yè)人士共計(jì)600 余人參加會(huì)議。中國照明學(xué)會(huì)理事長邴樹奎、北京市科協(xié)學(xué)會(huì)部部長李金濤出席會(huì)議并致辭。會(huì)議由北京照明學(xué)會(huì)王政濤秘書長主持。北京照明學(xué)會(huì)徐華理事長首先對與會(huì)嘉賓表示熱烈歡迎和衷心感謝。北京照明學(xué)會(huì)自1979 年成立以來，已走過四十年，伴隨著國家改革開放一起成長。學(xué)會(huì)匯聚了照明行業(yè)老、中、青各方面的專家及照明科技工作者，在北京市科協(xié)的領(lǐng)導(dǎo)下，積極開展國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流、技術(shù)咨詢和科普活動(dòng)，堅(jiān)持不懈地做好“為政府服務(wù)、為企業(yè)服務(wù)、為會(huì)員服務(wù)”，為北京照明工程項(xiàng)目建設(shè)和綠色照明推廣應(yīng)用做了大量的技術(shù)支撐，推動(dòng)了北京照明事業(yè)的健康發(fā)展。為表彰在北京照明學(xué)會(huì)四十年發(fā)展歷程中付出艱辛努力的老一輩領(lǐng)導(dǎo)，大會(huì)特進(jìn)行北京照明學(xué)會(huì)成立四十周年表彰頒獎(jiǎng)，感恩老一輩對北京照明學(xué)會(huì)及中國照明做出的巨大貢獻(xiàn)?！敖艹鲐暙I(xiàn)獎(jiǎng)”榮獲該獎(jiǎng)項(xiàng)的有: 戴德慈、洪元頤、姜?；荨⒗畹赂弧⒗罹吧?、馬述榮、任元會(huì)、王大有、王曉英、王振生、徐長生、楊臣鑄、張敏、張耀根、周文輝。滿懷感恩的頒獎(jiǎng)表彰典禮過后，進(jìn)入本次大會(huì)的重要環(huán)節(jié)北京照明科技論壇主題報(bào)告，為了達(dá)到溝通交流學(xué)習(xí)的目的，來自設(shè)計(jì)院、工程公司、設(shè)計(jì)單位的代表精心準(zhǔn)備了18個(gè)精彩的主題報(bào)告，從照明設(shè)計(jì)、燈光應(yīng)用、產(chǎn)品創(chuàng)新等角度展開了詳細(xì)地分享和討論?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展為人們提供更好更健康的光環(huán)境打下基礎(chǔ)，照明行業(yè)得以迅速發(fā)展，與此同時(shí)也面臨多重挑戰(zhàn)與機(jī)遇。北京擁有豐富的高校和設(shè)計(jì)工程力量，在科技創(chuàng)新發(fā)展方面發(fā)揮了重要的影響作用。北京照明學(xué)會(huì)四十年發(fā)展也得益于首都經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展?？偨Y(jié)過去，展望未來，北京照明學(xué)會(huì)定能百尺竿頭，更上一層樓，為行業(yè)發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)步貢獻(xiàn)卓越的力量。</p>