基于LoRa和組態軟件的植物工廠環境監控系統的研究與實現

張志偉 ，趙 霞 ，高菊玲

(1.江蘇農林職業技術學院機電工程學院，江蘇 句容 212400；2.江蘇省現代農業裝備工程中心，江蘇 句容 212400)

0 引 言

近年來，針對我國耕地面積逐漸減少、頻發自然災害等現狀，傳統農業的地位面臨挑戰，設施農業的發展備受關注?！爸参锕S”作為設施農業的最高產物，最早是由日本專家提出，能夠實現內部環境因素的精準控制，并且不受任何環境條件的影響，可以全周期生產作物。此外，采用人工光源可供植物24 h的光照，極大地提高作物的生長速率，縮短了植物工廠內作物的生長周期，無需施加農藥，保證了植物的純天然、無公害[1-3]。由于植物工廠占地面積巨大、不易推廣應用等缺點，微型植物工廠應運而生。微型植物工廠的尺寸僅有冰箱大小，結構簡單，在一個密閉的工作空間內，是植物工廠技術的濃縮。它是通過智能自動控制系統來控制作物生長的環境，為其提供適宜的溫度、濕度、光照及成分配比合理的營養液等[4-7]。微型植物工廠的興起，為城市居民生活帶來極大方便，不僅提供綠色無公害的蔬菜，而且可增加氧氣、降低室內二氧化碳，也可以作為美化家居，綠色裝飾，增添了居民的生活樂趣[4-5]。

隨著互聯網技術的迅速發展，將該技術融入到微型植物工廠中，可以幫助用戶在使用微型植物工廠期間做出基于物聯網的微型植物工廠智能化監控系統開發智能化的判斷和決策。近年來，基于物聯網的微型植物工廠快速發展，目前還停留在試驗階段，沒有真正推向市場，如何實現家庭用智能化、傻瓜化的目標，成為目前微型植物工廠取得良好實用性的關鍵。因此，針對具體的作物生長模型實現多目標下的微型植物工廠遠程環境調控已經成為亟待解決的問題[6-7]。

1 系統整體方案設計

本試驗在江蘇省現代農業裝備工程中心的微型植物工廠內進行。利用植物工廠內的空調、加濕器、補光燈、水循環等設備，通過LoRa 網關采集植物工廠內各栽架內的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、土壤溫濕度等環境參數，設計了一種基于LoRa 和組態軟件的微型植物工廠智能監控系統。該系統主要實現的功能是：實時監測植物工廠內的環境參數；實時顯示植物工廠執行機構的狀態；在線設定溫度、濕度等參數的上限下限值以及設備執行的延時時間；各參數的實時趨勢圖、歷史趨勢圖；實時數據庫、歷史數據庫報表的查詢打印等功能；環境參數超出預定值報警及執行機構異常報警等。用戶外出時可通過手機、電腦，或將其托管給服務器，遠程管理微型植物工廠，一定程度上緩解了城市居民缺乏經驗或時間管理微型植物工廠的問題[8]。

本系統采用ForceControl V7.0 版本的力控組態軟件為上位機，西門子200smart、LoRa 網關為下位機，通過Modbus 通訊協議實現與網關通訊，將傳感器采集的環境參數接收到監控系統中，通過RS485串口通信接口與下位機PLC 進行通信，進而根據控制決策通過輸出接口對執行機構進行過程控制。本系統支持本地手動控制與遠程Android 端與Web 端控制，本地通過工控機實現對植物工廠的實時控制。如圖1 所示為系統框架圖。

圖1 溫室蔬菜秸稈還田克服連作障礙關鍵技術具體路線

圖1 系統框架圖

2 系統硬件設計

LoRa 網關系統采用的是STC8A8K64S4A12 芯片，該芯片不需要外部復位和晶振電路，接入電源即可工作，提供IDEL 和STOP 兩種低功耗模式，最低可降至0.1 μA 以下，擁有4 個串口，其中一個串口用于MCU 的程序下載使用，剩余3 個串口用于Lo-Ra 模塊使用。如圖2 為LoRa 網關采集模塊電路原理圖。

圖2 LoRa 網關采集模塊電路原理圖

LoRa 模塊選擇的正點原子的ATK-LORA-01模塊，該模塊可支持透明傳輸和定向傳輸，其中透明傳支持點對點傳輸、點對多傳輸和廣播監聽，模塊工作頻率410～441MHz，通訊距離≥3 000 m，無線速率19 200 bps（MAX），適用于遠距離數據傳輸。ATK-LORA-01 模塊如圖3 所示。

圖3 ATK-LORA-01 模塊

考慮到植物工廠面積大、傳感器安裝位置等，將傳感器設計成分體式，一共3 個監測節點，其中圖4(a)為光照強度采集節點;圖4(b)為CO2濃度采集節點；圖4(c)為環境溫濕度采集節點；圖4(d)為Lora匯聚網關。

圖4 溫室環境監測系統硬件實物

3 組態軟件設計

在組態軟件中完成設備通信和I/O 數據庫組態后，根據系統需求在組態軟件中進行監控界面的開發，組態軟件的監控界面是人機交互的重要媒介。力控軟件為界面的開發提供了多樣的圖庫，使得界面開發更加簡單豐富。

在組態界面中，制作的功能主要有:用戶管理、手自動控制、歷史參數查詢、實時趨勢圖、設備運行狀態、故障報警、定時、控制策略編寫等功能。組態軟件監控界面如圖5 所示。

圖5 組態軟件監控界面

4 系統調試運行

將網關通電，打開安裝在工控機上的力控組態軟件即可通過監控界面對植物工廠內的執行機構進行控制，同時實時顯示當前微型植物工廠內的環境參數?，F場操作人員可以通過上位機將溫度、濕度的上下限值輸入，電機自動運行即可。當微型植物工廠內的環境參數超出預定值時，控制系統將根據控制策略向PLC 發送控制指令，繼而控制微型植物工廠內的執行機構，完成養護工作。

5 結 語

基于物聯網技術，將本地傳感器信息采集、無線傳輸網絡、手機端應用軟件和Web 端應用軟件相結合，開發出了一套應用于微型植物工廠的遠程智能監控系統。通過該系統用戶可以遠程實時查看微型植物工廠狀態信息，即時干預控制;查看微型植物工廠的歷史環境信息，分析作物的長勢與環境信息的關系，為下一批次作物種植的環境優化調控提供參考;用戶缺乏時間或經驗管理微型植物工廠時，可以將其托管給專家或服務器代為管理。試驗結果表明:在應用試驗中各功能模塊工作正常，作物長勢良好，目前系統運行穩定，對操作人員的技能要求低，能夠達到現場控制要求，便于家庭使用。