基于Android 平臺的家庭植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間:2015-04-10
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隨著人們生活品質的提高,，家庭植物工廠受到越來越多的關注。為此,，設計了一種以LED 光源模擬太陽光的人工光型密閉式家庭植物工廠,。為了使該家庭植物工廠能夠為作物提供適宜的生長環(huán)境，并且能夠實現(xiàn)遠程智能監(jiān)控,，設計并實現(xiàn)了一種基于Android 平臺的智能監(jiān)控系統(tǒng),。
引言
近年來，由于LED 技術和植物工廠的發(fā)展，LED光源在植物工廠中的應用受到越來越多的關注,。植物工廠作為國際上公認的設施農業(yè)的最高級發(fā)展階段,，由于受自然條件影響小、無污染,、自動化程度高,、多層次立體栽培可以節(jié)省大量土地、作物生長周期可控等優(yōu)點,，代表著未來農業(yè)的發(fā)展方向,。其中，恒光,，全人工光型密閉式植物工廠通過對環(huán)境因素的適度控制,，能夠為作物提供更適宜、更可控,、更清潔的生長環(huán)境,，是植物工廠發(fā)展的一個重要模式。LED光源具有體積小,、壽命長,、使用直流電,、低發(fā)熱量及光質可調等優(yōu)點,，被認為是全人工光型植物工廠的一種理想光源，并且在國內外的很多植物工廠研究中都有所應用,。
目前,，植物工廠主要沿著適用于工廠化生產(chǎn)的大型植物工廠和適用于家庭的微型植物工廠兩個方向發(fā)展。日本,、荷蘭,、美國等發(fā)達國家在這兩個方向都基本實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化;國內對植物工廠相關技術的研究起步較晚，但近幾年也取得了一些顯著成果,。
隨著人們生活品質不斷提高,，綠色、健康,、智能的家庭植物工廠將有很大的市場空間,，將互聯(lián)網(wǎng)、移動終端和智能控制結合起來是家庭植物工廠發(fā)展的一個趨勢,�,；趯@種趨勢的判斷，工程照明,，本文設計了一種使用LED 光源的全人工光型密閉式家庭植物工廠,，并為該家庭植物工廠開發(fā)了一套基于Android 平臺的智能監(jiān)控系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)整體設計
LED 家庭植物工廠
LED 家庭植物工廠的二維尺寸如圖1 所示。它分4 層:底層用于放置營養(yǎng)液箱體,、營養(yǎng)液循環(huán)泵等裝置;頂層用于放置電源模塊,、顯示模塊及驅動電路模塊等;中間兩層(下文簡稱為種植空間) 用于種植作物，每層的頂端都裝有LED 燈板,，底部都放置著盛放營養(yǎng)液的培養(yǎng)槽,。LED 燈由直流驅動模塊直接驅動，通過外接PWM 控制信號,，可以實現(xiàn)對LED 燈亮度的調節(jié),。為了保證種植空間的環(huán)境不受外界環(huán)境的影響，在植物工廠正常種植期間,，中間兩層的門處于關閉狀態(tài),，即形成兩個與外界隔離的獨立種植空間。
監(jiān)控系統(tǒng)功能設計
植物生長主要是依靠光合作用,，而影響光合作用的環(huán)境因素主要是溫度,、濕度、二氧化碳濃度及光照強度等,。為了使上述家庭植物工廠能夠為作物提供更加適宜的生長環(huán)境,，需要對種植空間的溫度、濕度,、二氧化碳濃度和LED 燈亮度進行監(jiān)測與控制,，以使作物根部的營養(yǎng)液進行適當?shù)难h(huán)。同時,，工程照明,，為了使系統(tǒng)具有較好的人機交互性，口碑,，種植空間的環(huán)境參數(shù)需要實時顯示出來,，且歷史數(shù)據(jù)能夠被查詢和導出。為使種植空間的狀態(tài)信息能從遠程進行訪問和設置,，系統(tǒng)需要具有網(wǎng)絡連接功能,。綜上所述，監(jiān)控系統(tǒng)的功能框架如圖2 所示,。
圖1 LED 家庭植物工廠的二維尺寸圖
圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的功能框架圖
由于Android 操作系統(tǒng)在嵌入式設備上的應用越來越成熟,，基于Android 平臺的應用程序具有非常好的人機交互體驗，因此本監(jiān)控系統(tǒng)選擇基于Android平臺進行應用開發(fā),。Android 應用程序負責定時采集種植空間的環(huán)境參數(shù)并實時顯示,，根據(jù)設置的參數(shù)閾值和相關算法驅動相應的執(zhí)行機構對環(huán)境參數(shù)進行有效控制;同時，應用程序提供歷史數(shù)據(jù)查詢和導出功能,，并且能夠通過網(wǎng)絡與遠程的應用服務器進行通信,，使用戶能夠對本地監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)進行遠程訪問和設置。
2 硬件平臺的搭建
為了實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的上述功能，首先需要在LED家庭植物工廠現(xiàn)有的硬件基礎上,，搭建一個更完善的硬件平臺,，主要包括選擇系統(tǒng)核心開發(fā)板、選用合適的環(huán)境參數(shù)( 主要是溫度,、濕度,、二氧化碳濃度) 傳感器、設計并實現(xiàn)種植空間的降溫和空氣循環(huán)系統(tǒng),、設計并實現(xiàn)種植空間的二氧化碳供給系統(tǒng)及選用合適的網(wǎng)絡接入模塊,。搭建好的監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺框架如圖3 所示。
圖3 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺框架
考慮到系統(tǒng)硬件接口的需求,、Android 操作系統(tǒng)的搭載和人機交互的便利性,，選用TINY210 開發(fā)套件作為系統(tǒng)的核心控制硬件。Tiny210 開發(fā)套件由開發(fā)底板,、核心板和7 寸LCD 電容觸摸顯示屏組成,，是一款高性能的Cortext － A8 核心板。其板載512M DDＲ2 內存和1G Flash 存儲,，采用S5PV210 作為主處理器,，運行主頻可高達1GHz，可流暢運行Android,、Linux 和WinCE6 等高級操作系統(tǒng),。
由于植物工廠的種植空間較小，因此監(jiān)測溫度,、濕度和二氧化碳濃度的傳感器體積不能太大,，綜合測量范圍和測量精度的考慮，溫度傳感器選用DS18B20,，濕度傳感器選用HIH － 4000 － 001，二氧化碳濃度傳感器選用WSH － 300 － ND,。為了對種植空間的環(huán)境參數(shù)分布情況有充分的了解,， led服裝照明，每層種植空間放置4 個溫度傳感器,、2 個濕度傳感器和1 個二氧化碳濃度傳感器,。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接，考慮到TINY210 開發(fā)板提供的USB 接口以及WIFI 連接在家庭環(huán)境中的普遍性,，LED照明工程,，選用型號為EP － N8508 的USB －WIFI 模塊作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入模塊。
由于LED 光源產(chǎn)生的熱量在密閉空間內會逐步累積,，為了控制種植空間的溫度,，同時使種植空間內的空氣能循環(huán)流動，在上述人工光型LED 培菜柜的基礎上，增加降溫和空氣內循環(huán)系統(tǒng),，如圖3 所示,。它由壓縮機、冷凝器,、毛細管和蒸發(fā)器組成一個小型的降溫系統(tǒng),，空氣在風道內左右兩個風扇的推拉作用下，在種植空間,、風道和蒸發(fā)器之間循環(huán)流動,，以實現(xiàn)空氣溫度的有效調節(jié)。為了保證種植空間內空氣充分流動和溫度分布盡量均勻,，種植空間內的進風口位置比出風口位置稍高,。同時，為了實現(xiàn)種植空間的密封性,，照明方案,，在種植空間的內壁加裝了一層絕熱材料。