收稿日期 2020 06 06 基金項目 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院2019 年度科研項目 XY YF 19 23 作者簡介 尹璐 1982 女 黑龍江哈爾濱人 講師 工程碩士 研究方向為設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備 基于阿里云 IoT 的氣霧栽培式家庭 植物工廠控制系統(tǒng)的設(shè)計 尹 璐 楊學(xué)坤 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 北京 102208 摘 要 結(jié)合自動化技術(shù) 嵌入式技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 設(shè)計一套基于阿里云IoT平臺的氣霧栽培式家庭植物工 廠控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用觸摸屏PLC一體機為主控制器 通過網(wǎng)關(guān)模塊接入阿里云IoT平臺 并采用 IoT Stu dio Web可視化開發(fā)工具進行手機端應(yīng)用軟件設(shè)計 可實現(xiàn)對家庭植物工廠的遠程監(jiān)控 滿足實際應(yīng)用需 求 使用戶獲得良好的應(yīng)用體驗 關(guān)鍵詞 家庭植物工廠 傳感器 阿里云IoT 遠程監(jiān)控 中圖分類號 S24 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1671 6558 2020 03 36 06 DOI 10 3969 j issn 1671 6558 2020 03 009 Design of Aerosol Culture Family Plant Factory Control System Based on Ali Cloud IoT YIN Lu YANG Xuekun Beijing Vocational College of Agriculture Beijing 102208 China Abstract Combined with automation technology embedded technology and Internet of things technology a set of control system for home plant factory based on Alibaba cloud IOT platform is designed This system adopts the tou ch screen PLC as the main controller connects to the Ali Cloud IoT platform through the gateway module and uses IoT Studio Web visual development tools to design mobile application software It can realize the remote monitoring of the family plant factory meet the practical application needs and give users a good application experience Key words family plant factories sensor Ali cloud IoT remote monitoring 0 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 生活水平的提高和人們 對高品質(zhì)生活的不斷追求 家庭植物工廠逐步受到 城市居民的關(guān)注 家庭植物工廠不僅可以美化居住 環(huán)境 還可以高效利用空間為用戶提供綠色安全蔬 菜 1 2 在政府的大力推動下 自2010 年我國首例家庭 植物工廠問世以來 從微型植物工廠到適合于樓宇 家庭使用的JPWZ 1 家庭植物工廠 再到擁有基于 Android 平臺智能監(jiān)控系統(tǒng)的家庭植物工廠以及環(huán) 第19 卷 第3 期 2020 年7 月 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 JOU NAL OF BEIJING POLYTECHNIC COLLEGE 3 Vol 19 July 2020 保LED生態(tài)種植柜 創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn) 3 5 目前 現(xiàn)有的家庭植物工廠無論采用何種栽培 方式 何種核心控制器 大多為單機控制操作設(shè)備 不具備遠程在線監(jiān)控功能 用戶只能在本地獲得植 物工廠的相關(guān)數(shù)據(jù) 本文基于阿里云 IoT 平臺 設(shè) 計并開發(fā)了一種氣霧栽培式家庭植物工廠 以下簡 稱植物工廠 控制系統(tǒng) 使用戶可以實現(xiàn)對植物工 廠的遠程監(jiān)控 6 1 總體控制方案 植物工廠控制系統(tǒng)可分為主控制器 傳感器模 塊 輸出控制模塊 觸摸屏 無線網(wǎng)關(guān)模塊 手機APP 等部分 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示 圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖 控制系統(tǒng)在工作過程中 主控制器每30 s 接 收1 次傳感器模塊采集的數(shù)據(jù) 傳感器模塊可以 對系統(tǒng)內(nèi)空氣的溫濕度 EC 值 營養(yǎng)液溫度 pH 值 CO 2 濃度和液位高度等信息進行采集 通過信 號線將數(shù)據(jù)傳送給主控制器 主控制器根據(jù)預(yù)先 設(shè)定程序 將數(shù)據(jù)信息顯示在觸摸屏和手機 APP 上 再與對應(yīng)數(shù)據(jù)設(shè)定閾值進行比較判定 自動調(diào) 節(jié)輸出控制模塊 或根據(jù)觸摸屏或手機 APP 發(fā)出 的手動控制指令 對輸出控制模塊進行調(diào)節(jié) 輸出 控制模塊由12 路繼電器模組構(gòu)成 執(zhí)行機構(gòu)由 自吸泵 LED 燈 壓縮機 增氧泵 紫外線消毒機 加熱棒 風(fēng)機組成 根據(jù)接收的控制指令 自吸泵 從營養(yǎng)液箱中抽取營養(yǎng)液 霧化后未被植物吸收 的營養(yǎng)液回流至營養(yǎng)液箱 紫外線消毒機對營養(yǎng) 液箱進行定時消毒 避免滋生細菌 加熱棒用于控 制營養(yǎng)液的溫度 LED 燈為植物工廠提供 2 種光 照模式 用戶可根據(jù)需要自行選擇 壓縮機根據(jù)系 統(tǒng)時間以及傳感器采集數(shù)據(jù)進行植物工廠內(nèi)的溫 度控制 增氧泵和風(fēng)機用于調(diào)節(jié)植物工廠內(nèi)的氧 氣濃度 空氣溫濕度和CO 2 濃度 以滿足植物正常 生長發(fā)育的各種需求 2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 植物工廠控制系統(tǒng)硬件由主控制器 傳感器模 塊 輸出控制模塊 觸摸屏 無線網(wǎng)關(guān)模塊組成 1 主控制器和觸摸屏 綜合技術(shù) 成本及開 發(fā)周期等因素 本控制系統(tǒng)采用 MHW6070 1212M 6AD型觸摸屏PLC 一體機作為系統(tǒng)主控 制器 該控制器集觸摸屏顯示和 PLC 控制于一體 控制力強 操作靈活方便 可靠性高 適宜長期工作 PLC兼容三菱FX2N系列 采用7 寸觸摸屏 具有光 耦隔離的12 路開關(guān)量輸入和12 路開關(guān)量輸出 支 持6 路4 20 mA 模擬量信號輸入 具有485 通訊 口 支持 MODBU TU通信協(xié)議 2 傳感器模塊 傳感器模塊包括空氣溫濕度 傳感器 CO 2 濃度傳感器 營養(yǎng)液 EC 值 溫度二合 一傳感器 pH值傳感器和液位傳感器 各傳感器型 號 功能及主要參數(shù)見表1 所示 73 第3 期 尹 璐 等 基于阿里云IoT的氣霧栽培式家庭植物工廠控制系統(tǒng)的設(shè)計 表1 氣霧栽培式家庭植物工廠傳感器型號及主要參數(shù) 序號 名稱 型號 主要參數(shù) 功能 1 空氣溫濕度傳感器 LT CG S D 005 A0000 12 測量范圍 空氣溫度 40 80 空氣濕度0 100 H 測量精度 空氣溫度 0 5 空氣濕度 3 H 采集植物工廠內(nèi)部溫度值 外 部濕度值 2 EC值和液溫傳感器 LT CG S Y 005 A0700 12 供電電壓DC12 24 V 測量范圍 溶液溫度 40 80 溶液 EC值0 10 ms cm 測量精度 溶液溫度 0 5 溶液EC 3 采集營養(yǎng)液的EC值和溫度 3 pH值傳感器 AMT PH300 額定電壓DC12 24 V 工作溫濕度 0 65 10 95 H 測量精度 0 1PH 測量范圍 0 14 PH 采集營養(yǎng)液 pH 值 反映營養(yǎng) 液氮 鉀濃度 4 CO 2 濃度傳感器 LT CG S D 005 A0500 H 12 V1 2 測量范圍 0 2000 ppm 測量精度 4 采集植物工廠內(nèi)部 CO 2 濃度 值 5 液位傳感器 XKC Y26 V 額定電壓 24V 輸出電流 1 100 mA 響應(yīng)時間 500 ms 誤差 1 5 mm 采集營養(yǎng)液液位高度 3 網(wǎng)關(guān)模塊 網(wǎng)關(guān)模塊是系統(tǒng)的核心模塊之 一 用于在網(wǎng)絡(luò)層以上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連 分別與設(shè)備 和云平臺連接 通過無線方式與智能交互終端等產(chǎn) 品進行數(shù)據(jù)交互 從而實現(xiàn)手機等終端對設(shè)備的遠 程監(jiān)測與控制 系統(tǒng)中選用 YK G316G B 型網(wǎng) 關(guān)模塊 可實現(xiàn)Modbus 與 MQTT 通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換 支持 S485 Modbus TU 協(xié)議和 MQTT V3 1 1 協(xié) 議 數(shù)據(jù)上報為 Json 格式 支持?jǐn)?shù)據(jù)定時上報及變 化上報 支持遠程向從機寫入數(shù)據(jù)及遠程 MQTT 協(xié) 議配置網(wǎng)關(guān)參數(shù) 3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 3 1 系統(tǒng)控制程序設(shè)計 植物工廠采用觸摸屏 PLC 一體機作為系統(tǒng)主 控制器 以梯形圖作為編程語言 按結(jié)構(gòu)化工程的編 程方式進行程序編輯 參數(shù)設(shè)定 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置 程序的 監(jiān)控調(diào)試及在線更改等設(shè)計 系統(tǒng)控制程序包括 主程序 數(shù)據(jù)處理子程序 通訊子程序 輸出控制子 程序等部分 主程序的主要任務(wù)是設(shè)置程序的起始 點 對系統(tǒng)初始化 調(diào)用各子程序 控制事件循環(huán) 當(dāng) 退出程序時 恢復(fù)系統(tǒng)的原始環(huán)境 系統(tǒng)控制程序 流程如圖2 所示 圖2 系統(tǒng)控制程序流程圖 83 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 第19 卷 3 2 觸摸屏程序設(shè)計 觸摸屏是系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備 可以進行設(shè)備運 行狀態(tài) 環(huán)境因子 營養(yǎng)液因子等信息的監(jiān)測與控制 并可進行種植模式選擇 控制策略修改 傳感器校準(zhǔn) 等 觸摸屏軟件采用MHW美禾威觸摸屏組態(tài)軟件 編寫 包括歡迎頁面 主頁面 模式選擇 專家模式等 頁面 可用于顯示設(shè)備運行狀態(tài) 環(huán)境因子 營養(yǎng)液 因子等信息 進行種植模式的選擇 建立校準(zhǔn)界面 壓 縮機模式 LED模式 自吸泵模式等窗口 進行傳感器 的校準(zhǔn) 空調(diào)制冷等設(shè)備的控制 如圖3所示 a 觸摸屏主頁面 b 專家模式頁面 圖3 觸摸屏界面 3 3 阿里云IoT接入 本系統(tǒng)選擇阿里巴巴集團推出的專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服 務(wù)平臺阿里云 IoT 該平臺可提供云管邊端等基礎(chǔ) 產(chǎn)品接入及技術(shù)賦能 提供安全可靠的設(shè)備連接通 信能力 支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云 規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端 實現(xiàn)遠程控制 按照阿里云平臺提供的接入流程和操作方法將 設(shè)備接入平臺 基本步驟可分為 登錄注冊 創(chuàng)建產(chǎn) 品 添加設(shè)備 定義物模型 配置阿里云以及添加 Modbus變量 如圖4 所示 圖4 設(shè)備接入阿里云平臺的基本步驟 登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺 管理控制臺 在產(chǎn)品管理頁 面 創(chuàng)建名稱為 氣霧栽培式家庭植物工廠 的產(chǎn)品 并設(shè)置節(jié)點類型 聯(lián)網(wǎng)方式及數(shù)據(jù)格式 節(jié)點類型為 直連設(shè)備 聯(lián)網(wǎng)方式為 蜂窩 4G 數(shù)據(jù)格式為 ICA標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式 Alink JSON 成功創(chuàng)建產(chǎn)品 后進入設(shè)備管理頁面添加設(shè)備 選中上一步創(chuàng)建的產(chǎn) 品 輸入設(shè)備名稱 PLC01 完成設(shè)備的創(chuàng)建 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺支持為產(chǎn)品定義物模型 將 實際產(chǎn)品抽象成由屬性 服務(wù) 事件所組成的數(shù)據(jù)模 型 便于云端管理和數(shù)據(jù)交互 其中 一般將屬性設(shè) 置為 485 設(shè)備數(shù)據(jù) 狀態(tài)的上傳和下達 將事件設(shè) 置為故障 報警 通過產(chǎn)品詳情中的自定義功能欄添加功能 將室內(nèi)溫度 自吸泵開關(guān)定義為屬性 室內(nèi)溫度設(shè) 為浮點型 標(biāo)識符為 TEMP 并設(shè)定取值范圍 自吸 泵開關(guān)設(shè)為布爾型 標(biāo)識符為 PUMP 分別設(shè)置布 爾值對應(yīng)含義 0 為關(guān)閉 1 為打開 據(jù)此 分 別設(shè)置室外濕度 EC值 pH值 CO 2 濃度等環(huán)境因 子 LEDA LEDB 空調(diào)加熱 空調(diào)制冷 風(fēng)機等設(shè) 備狀態(tài)以及控制模式 空調(diào)制冷控制等設(shè)備開關(guān) 的物模型 由于PLC控制器與網(wǎng)關(guān)模塊之間采用 Modbus 通信協(xié)議 而網(wǎng)關(guān)模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺直接采 用MQTT協(xié)議 因此需要對網(wǎng)關(guān)模塊進行配置 打 開網(wǎng)關(guān)模塊配置軟件 Modbus to MQTT Configrator 將阿里云產(chǎn)品的 ProductKey DeviceName DeviceSe cret信息填入對應(yīng)的文本框 確認后會自動生成表 單 網(wǎng)關(guān)配置完成后 需要添加 Modbus 變量實現(xiàn) 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺變量與 PLC 變量間的對應(yīng)關(guān) 系 在配置軟件 Modbus 選項卡中的添加變量界 面 選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)通道和數(shù)據(jù)類型 布爾型選擇0 區(qū) 浮點型選擇4 區(qū) 鍵名與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺中 定義的標(biāo)識符一致 添加尋址地址 尋址地址與 PLC 中變量的地址一致 并按照變量要求設(shè)置變 化閾 低限上報 高限上報等參數(shù) 設(shè)置完畢后 點擊寫入?yún)?shù) 即完成網(wǎng)關(guān)模塊的配置 PLC 變 量的含義 地址與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺中變量的對 應(yīng)關(guān)系見表2 所示 93 第3 期 尹 璐 等 基于阿里云IoT的氣霧栽培式家庭植物工廠控制系統(tǒng)的設(shè)計 表2 氣霧栽培式家庭植物工廠參數(shù)變量一覽表 序號 PLC控制器 網(wǎng)關(guān)模塊 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺 含義 變量 寄存器地址 鍵名 標(biāo)識符 1 營養(yǎng)液位1 X000 001025 LC1 Alarm LC1 2 營養(yǎng)液位2 X001 001026 LC2 Alarm LC2 3 燈架高度檢測 X003 001028 SPAC Alarm SPAC 4 空調(diào)制冷開關(guān) Y000 001281 COMP Alarm COMP 5 營養(yǎng)液加熱器開關(guān) Y001 001282 HEATE 2 Alarm HEATE 2 6 LEDA開關(guān) Y002 001283 LEDA Alarm LEDA 7 LEDB開關(guān) Y003 001284 LEDB Alarm LEDB 8 空調(diào)加熱開關(guān) Y004 001285 HEATE Alarm HEATE 9 紫外線消毒燈開關(guān) Y005 001286 STEN Alarm STEN 10 風(fēng)機開關(guān) Y006 001287 FANS Alarm FANS 11 自吸泵開關(guān) Y012 001291 PUMP Alarm PUMP 12 模式選擇 M8 002057 MODE Alarm MODE 13 自吸泵控制模式 M82 002129 LEDA C Alarm LEDA C 14 LEDA控制模式 M80 002130 LEDB C Alarm LEDB C 15 LEDB控制模式 M81 002131 PUMP C Alarm PUMP C 16 消毒燈控制模式 M83 002132 STEN C Alarm STEN C 17 營養(yǎng)液加熱控制模式 M84 002133 HEATE 2 C Alarm HEATE 2 C 18 空調(diào)制冷控制模式 M85 002134 COMP C Alarm COMP C 19 空調(diào)制熱控制模式 M86 002135 HEATE C Alarm HEATE C 20 風(fēng)機控制模式 M87 002136 FAN C Alarm FAN C 21 室內(nèi)溫度 D266 404363 TEMP Alarm TEMP 22 室外濕度 D282 404379 HUMI Alarm HUMI 23 營養(yǎng)液溫度 D352 404449 TEMPW Alarm TEMPW 24 營養(yǎng)液EC值 D370 404467 EC Alarm EC 25 pH值 D388 404485 PH Alarm PH 26 CO 2 濃度 D402 404499 CO 2 Alarm CO 2 3 4 基于阿里云IoT的應(yīng)用軟件設(shè)計 應(yīng)用軟件是用戶通過手機終端設(shè)備與系統(tǒng)進 行交互的平臺 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的 Iot Stu dio Web 可視化開發(fā)工具 可與阿里云設(shè)備接入以 及物模型進行無障礙交互數(shù)據(jù) 可以直接在可視 化配置中選擇對應(yīng)的產(chǎn)品和設(shè)備 調(diào)用設(shè)備數(shù)據(jù) 或進行設(shè)備控制 本系統(tǒng)采用 IoT Studio Web 可 視化開發(fā)工具進行應(yīng)用軟件設(shè)計 設(shè)計步驟如圖 5 所示 圖5 應(yīng)用軟件設(shè)計步驟 按上述步驟完成應(yīng)用軟件設(shè)計 可在手機 APP 端顯示系統(tǒng)環(huán)境因子的實時數(shù)據(jù)和曲線 也可實現(xiàn) 設(shè)備管理模式的選擇 系統(tǒng)主界面 操作界面及數(shù) 據(jù)監(jiān)控界面如圖6 所示 04 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 第19 卷 a 主界面 b 操作界面 c 監(jiān)控界面 圖6 應(yīng)用軟件界面 4 結(jié)論 本文選用阿里云IoT 平臺作為設(shè)計的數(shù)據(jù)交換 中樞 設(shè)計了氣霧栽培式家庭植物工廠控制系統(tǒng) 以 觸摸屏一體機作為主控制器 通過 YK G316G B 型網(wǎng)關(guān)模塊接入阿里云IoT平臺 采用手機APP人機 交互實現(xiàn)對植物工廠的遠程監(jiān)控 可使用戶獲得良好 的應(yīng)用體驗 具有較強的實用性和較好的推廣價值 參考文獻 1 丁飛 吳飛 艾成萬 等 基于OneNET平臺的環(huán)境監(jiān)測系 統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) J 南京郵電大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2018 38 4 24 29 2 羅孟德 賈鶴鳴 趙文科 等 微型植物工廠霧培控制系 統(tǒng)設(shè)計 J 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力 2017 6 94 98 3 劉彤 賀宏偉 李堯 等 基于 Android 平臺的家庭植物工 廠智能監(jiān)控系統(tǒng) J 農(nóng)機化研究 2015 37 4 197 202 4 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) 溫室園藝 2010 12 58 59 5 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 6 韓麗麗 程崢 牛萍娟 等 LED 家庭植物工廠控制系統(tǒng) 設(shè)計 J 照明工程學(xué)報 2019 30 2 71 80 責(zé)任編輯 張艷霞 櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞 上接第14 頁 4 董婧 基于MPPT的光伏系統(tǒng)充電控制器的研究 D 西 安 西安工業(yè)大學(xué) 2014 24 27 5 普平貴 光伏控制器新型充電管理模式研究 J 陽光能 源 2011 4 58 60 6 羅赟 基于PVsyst的獨立光伏系統(tǒng)設(shè)計 J 信息通信 2015 5 53 55 7 孔凡太 戴松元 我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及未來展望 J 中國工程科學(xué) 2016 18 4 51 54 8 劉文洲 西燈考 蔡長青 等 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) MPPT 綜述 J 長春工程學(xué)院學(xué)報 自然科學(xué)版 2016 17 3 39 41 9 杭鳳海 楊偉 朱文艷 光伏系統(tǒng) MPPT的擾動觀測法分 析與改進 J 電力系統(tǒng)保護與控制 2014 42 9 110 114 10 湯濟澤 王叢嶺 房學(xué)法 一種基于電導(dǎo)增量法的 MPPT 實現(xiàn)策略 J 電力電子技術(shù) 2011 45 4 73 75 11 陳亞愛 周京華 李津 等 梯度式變步長 MPPT 算法在 光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用 J 中國電機工程學(xué)報 2014 34 19 3156 3161 12 張永革 石季英 張文 等 復(fù)雜遮陰條件下光伏系統(tǒng) MPPT控制改進PSO算法仿真研究 J 中國電機工程學(xué) 報 2014 34 S1 39 46 13 朱健 一種改進的基于恒定電壓法的光伏電池最大功 率點跟蹤方法 J 電子技術(shù)與軟件工程 2016 3 248 249 14 涂小偉 陳皓 基于 BOOST BUCK 電路的光伏脈沖充 電系統(tǒng) J 電源技術(shù) 2012 36 6 866 868 責(zé)任編輯 張艷霞 14 第3 期 尹 璐 等 基于阿里云IoT的氣霧栽培式家庭植物工廠控制系統(tǒng)的設(shè)計