基于Android 平臺的家庭植物工廠智能監控系統

文章來源:恒光電器

發布時間: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境，并且能夠實現遠程智能監控，設計并實現了一種基于Android 平臺的智能監控系統。

引言

近年來，由于LED 技術和植物工廠的發展，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的最高級發展階段，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省大量土地、作物生長周期可控等優點，代表著未來農業的發展方向。其中，恒光，全人工光型密閉式植物工廠通過對環境因素的適度控制，能夠為作物提供更適宜、更可控、更清潔的生長環境，是植物工廠發展的一個重要模式。LED光源具有體積小、壽命長、使用直流電、低發熱量及光質可調等優點，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展。日本、荷蘭、美國等發達國家在這兩個方向都基本實現了產業化;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，將互聯網、移動終端和智能控制結合起來是家庭植物工廠發展的一個趨勢。基于對這種趨勢的判斷，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了一套基于Android 平臺的智能監控系統。

1 系統整體設計

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:底層用于放置營養液箱體、營養液循環泵等裝置;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液的培養槽。LED 燈由直流驅動模塊直接驅動，通過外接PWM 控制信號，可以實現對LED 燈亮度的調節。為了保證種植空間的環境不受外界環境的影響，在植物工廠正常種植期間，中間兩層的門處于關閉狀態，即形成兩個與外界隔離的獨立種植空間。

 監控系統功能設計

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 燈亮度進行監測與控制，以使作物根部的營養液進行適當的循環。同時，工程照明，為了使系統具有較好的人機交互性，口碑，種植空間的環境參數需要實時顯示出來，且歷史數據能夠被查詢和導出。為使種植空間的狀態信息能從遠程進行訪問和設置，系統需要具有網絡連接功能。綜上所述，監控系統的功能框架如圖2 所示。

圖1 LED 家庭植物工廠的二維尺寸圖

圖2 監控系統的功能框架圖

由于Android 操作系統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，因此本監控系統選擇基于Android平臺進行應用開發。Android 應用程序負責定時采集種植空間的環境參數并實時顯示，根據設置的參數閾值和相關算法驅動相應的執行機構對環境參數進行有效控制;同時，應用程序提供歷史數據查詢和導出功能，并且能夠通過網絡與遠程的應用服務器進行通信，使用戶能夠對本地監控系統的狀態進行遠程訪問和設置。

2 硬件平臺的搭建

為了實現監控系統的上述功能，首先需要在LED家庭植物工廠現有的硬件基礎上，搭建一個更完善的硬件平臺，主要包括選擇系統核心開發板、選用合適的環境參數( 主要是溫度、濕度、二氧化碳濃度) 傳感器、設計并實現種植空間的降溫和空氣循環系統、設計并實現種植空間的二氧化碳供給系統及選用合適的網絡接入模塊。搭建好的監控系統硬件平臺框架如圖3 所示。

圖3 監控系統的硬件平臺框架

考慮到系統硬件接口的需求、Android 操作系統的搭載和人機交互的便利性，選用TINY210 開發套件作為系統的核心控制硬件。Tiny210 開發套件由開發底板、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。

由于植物工廠的種植空間較小，因此監測溫度、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境參數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。為了實現系統的網絡連接，考慮到TINY210 開發板提供的USB 接口以及WIFI 連接在家庭環境中的普遍性，LED照明工程，選用型號為EP － N8508 的USB －WIFI 模塊作為系統的網絡接入模塊。

由于LED 光源產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系統，如圖3 所示。它由壓縮機、冷凝器、毛細管和蒸發器組成一個小型的降溫系統，空氣在風道內左右兩個風扇的推拉作用下，在種植空間、風道和蒸發器之間循環流動，以實現空氣溫度的有效調節。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。