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(shí)間:2015-04-10
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隨著人們生活品質(zhì)的提高，家庭植物工廠受到越來越多的關(guān)注。為此，設(shè)計(jì)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?yàn)樽魑锾峁┻m宜的生長環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，設(shè)計(jì)并實(shí)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(shù)和植物工廠的發(fā)展，LED光源在植物工廠中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。植物工廠作為國際上公認(rèn)的設(shè)施農(nóng)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(dòng)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(diǎn)，代表著未來農(nóng)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?yàn)樽魑锾峁└m宜、更可控、更清潔的生長環(huán)境，是植物工廠發(fā)展的一個(gè)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(zhì)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是全人工光型植物工廠的一種理想光源，并且在國內(nèi)外的很多植物工廠研究中都有所應(yīng)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(gè)方向發(fā)展。日本、荷蘭、美國等發(fā)達(dá)國家在這兩個(gè)方向都基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化;國內(nèi)對植物工廠相關(guān)技術(shù)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(zhì)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(dòng)終端和智能控制結(jié)合起來是家庭植物工廠發(fā)展的一個(gè)趨勢。基于對這種趨勢的判斷，工程照明，本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)模塊直接驅(qū)動(dòng)，通過外接PWM 控制信號，可以實(shí)現(xiàn)對LED 燈亮度的調(diào)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(guān)閉狀態(tài)，即形成兩個(gè)與外界隔離的獨(dú)立種植空間。
監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
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(qiáng)度等。為了使上述家庭植物工廠能夠?yàn)樽魑锾峁└舆m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(jìn)行監(jiān)測與控制，以使作物根部的營養(yǎng)液進(jìn)行適當(dāng)?shù)难h(huán)。同時(shí)，工程照明，為了使系統(tǒng)具有較好的人機(jī)交互性，口碑，種植空間的環(huán)境參數(shù)需要實(shí)時(shí)顯示出來，且歷史數(shù)據(jù)能夠被查詢和導(dǎo)出。為使種植空間的狀態(tài)信息能從遠(yuǎn)程進(jìn)行訪問和設(shè)置，系統(tǒng)需要具有網(wǎng)絡(luò)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(shè)備上的應(yīng)用越來越成熟，基于Android 平臺的應(yīng)用程序具有非常好的人機(jī)交互體驗(yàn)，因此本監(jiān)控系統(tǒng)選擇基于Android平臺進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。Android 應(yīng)用程序負(fù)責(zé)定時(shí)采集種植空間的環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)閾值和相關(guān)算法驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效控制;同時(shí)，應(yīng)用程序提供歷史數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出功能，并且能夠通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信，使用戶能夠?qū)Ρ镜乇O(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和設(shè)置。
2 硬件平臺的搭建
為了實(shí)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(chǔ)上，搭建一個(gè)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)種植空間的降溫和空氣循環(huán)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)并實(shí)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(luò)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(jī)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(nèi)存和1G Flash 存儲，采用S5PV210 作為主處理器，運(yùn)行主頻可高達(dá)1GHz，可流暢運(yùn)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(gè)溫度傳感器、2 個(gè)濕度傳感器和1 個(gè)二氧化碳濃度傳感器。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)接入模塊。
由于LED 光源產(chǎn)生的熱量在密閉空間內(nèi)會逐步累積，為了控制種植空間的溫度，同時(shí)使種植空間內(nèi)的空氣能循環(huán)流動(dòng)，在上述人工光型LED 培菜柜的基礎(chǔ)上，增加降溫和空氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，如圖3 所示。它由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管和蒸發(fā)器組成一個(gè)小型的降溫系統(tǒng)，空氣在風(fēng)道內(nèi)左右兩個(gè)風(fēng)扇的推拉作用下，在種植空間、風(fēng)道和蒸發(fā)器之間循環(huán)流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)空氣溫度的有效調(diào)節(jié)。為了保證種植空間內(nèi)空氣充分流動(dòng)和溫度分布盡量均勻，種植空間內(nèi)的進(jìn)風(fēng)口位置比出風(fēng)口位置稍高。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)種植空間的密封性，照明方案，在種植空間的內(nèi)壁加裝了一層絕熱材料。