基于Android 平台的家庭植物工厂智能监控系统

文章来源:恒光电器

发布时间:2015-04-10

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 随着人们生活品质的提高，家庭植物工厂受到越来越多的关注。为此，设计了一种以LED 光源模拟太阳光的人工光型密闭式家庭植物工厂。为了使该家庭植物工厂能够为作物提供适宜的生长环境，并且能够实现远程智能监控，设计并实现了一种基于Android 平台的智能监控系统。

引言

近年来，由于LED 技术和植物工厂的发展，LED光源在植物工厂中的应用受到越来越多的关注。植物工厂作为国际上公认的设施农业的最高级发展阶段，由于受自然条件影响小、无污染、自动化程度高、多层次立体栽培可以节省大量土地、作物生长周期可控等优点，代表着未来农业的发展方向。其中，恒光，全人工光型密闭式植物工厂通过对环境因素的适度控制，能够为作物提供更适宜、更可控、更清洁的生长环境，是植物工厂发展的一个重要模式。LED光源具有体积小、寿命长、使用直流电、低发热量及光质可调等优点，被认为是全人工光型植物工厂的一种理想光源，并且在国内外的很多植物工厂研究中都有所应用。

目前，植物工厂主要沿着适用于工厂化生产的大型植物工厂和适用于家庭的微型植物工厂两个方向发展。日本、荷兰、美国等发达国家在这两个方向都基本实现了产业化;国内对植物工厂相关技术的研究起步较晚，但近几年也取得了一些显著成果。

随着人们生活品质不断提高，绿色、健康、智能的家庭植物工厂将有很大的市场空间，将互联网、移动终端和智能控制结合起来是家庭植物工厂发展的一个趋势。基于对这种趋势的判断，工程照明，本文设计了一种使用LED 光源的全人工光型密闭式家庭植物工厂，并为该家庭植物工厂开发了一套基于Android 平台的智能监控系统。

1 系统整体设计

LED 家庭植物工厂

LED 家庭植物工厂的二维尺寸如图1 所示。它分4 层:底层用于放置营养液箱体、营养液循环泵等装置;顶层用于放置电源模块、显示模块及驱动电路模块等;中间两层(下文简称为种植空间) 用于种植作物，每层的顶端都装有LED 灯板，底部都放置着盛放营养液的培养槽。LED 灯由直流驱动模块直接驱动，通过外接PWM 控制信号，可以实现对LED 灯亮度的调节。为了保证种植空间的环境不受外界环境的影响，在植物工厂正常种植期间，中间两层的门处于关闭状态，即形成两个与外界隔离的独立种植空间。

 监控系统功能设计

植物生长主要是依靠光合作用，而影响光合作用的环境因素主要是温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度等。为了使上述家庭植物工厂能够为作物提供更加适宜的生长环境，需要对种植空间的温度、湿度、二氧化碳浓度和LED 灯亮度进行监测与控制，以使作物根部的营养液进行适当的循环。同时，工程照明，为了使系统具有较好的人机交互性，口碑，种植空间的环境参数需要实时显示出来，且历史数据能够被查询和导出。为使种植空间的状态信息能从远程进行访问和设置，系统需要具有网络连接功能。综上所述，监控系统的功能框架如图2 所示。

图1 LED 家庭植物工厂的二维尺寸图

图2 监控系统的功能框架图

由于Android 操作系统在嵌入式设备上的应用越来越成熟，基于Android 平台的应用程序具有非常好的人机交互体验，因此本监控系统选择基于Android平台进行应用开发。Android 应用程序负责定时采集种植空间的环境参数并实时显示，根据设置的参数阈值和相关算法驱动相应的执行机构对环境参数进行有效控制;同时，应用程序提供历史数据查询和导出功能，并且能够通过网络与远程的应用服务器进行通信，使用户能够对本地监控系统的状态进行远程访问和设置。

2 硬件平台的搭建

为了实现监控系统的上述功能，首先需要在LED家庭植物工厂现有的硬件基础上，搭建一个更完善的硬件平台，主要包括选择系统核心开发板、选用合适的环境参数( 主要是温度、湿度、二氧化碳浓度) 传感器、设计并实现种植空间的降温和空气循环系统、设计并实现种植空间的二氧化碳供给系统及选用合适的网络接入模块。搭建好的监控系统硬件平台框架如图3 所示。

图3 监控系统的硬件平台框架

考虑到系统硬件接口的需求、Android 操作系统的搭载和人机交互的便利性，选用TINY210 开发套件作为系统的核心控制硬件。Tiny210 开发套件由开发底板、核心板和7 寸LCD 电容触摸显示屏组成，是一款高性能的Cortext － A8 核心板。其板载512M DDＲ2 内存和1G Flash 存储，采用S5PV210 作为主处理器，运行主频可高达1GHz，可流畅运行Android、Linux 和WinCE6 等高级操作系统。

由于植物工厂的种植空间较小，因此监测温度、湿度和二氧化碳浓度的传感器体积不能太大，综合测量范围和测量精度的考虑，温度传感器选用DS18B20，湿度传感器选用HIH － 4000 － 001，二氧化碳浓度传感器选用WSH － 300 － ND。为了对种植空间的环境参数分布情况有充分的了解， led服装照明，每层种植空间放置4 个温度传感器、2 个湿度传感器和1 个二氧化碳浓度传感器。为了实现系统的网络连接，考虑到TINY210 开发板提供的USB 接口以及WIFI 连接在家庭环境中的普遍性，LED照明工程，选用型号为EP － N8508 的USB －WIFI 模块作为系统的网络接入模块。

由于LED 光源产生的热量在密闭空间内会逐步累积，为了控制种植空间的温度，同时使种植空间内的空气能循环流动，在上述人工光型LED 培菜柜的基础上，增加降温和空气内循环系统，如图3 所示。它由压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器组成一个小型的降温系统，空气在风道内左右两个风扇的推拉作用下，在种植空间、风道和蒸发器之间循环流动，以实现空气温度的有效调节。为了保证种植空间内空气充分流动和温度分布尽量均匀，种植空间内的进风口位置比出风口位置稍高。同时，为了实现种植空间的密封性，照明方案，在种植空间的内壁加装了一层绝热材料。