【摘 要】本文设计的系统采用STM32主控板，集成了ESP8266网络通信模块、LCD液晶显示模块、摄像头模块、LED驱动电源模块和几种常见的环境传感器，并结合PID控制算法，实现了对植物工厂内光照的精确控制。能够随时随地的通过电脑和手机对植物工厂系统在线监测和控制。

【关键词】嵌入式;云平台;植物工厂;智能控制

1、研究背景和意义

传统的农业种植模式己经不能够满足社会发展的需要，如何利用先进的科学技术以最少的人力、物力进行高质量的植物种植将是未来农业发展方向和研究重点。植物工厂是环境参数可控的设施农业，可通过中心计算机对植物生长发育所需要的温度、湿度、光照度及二氧化碳浓度等环境因子进行智能控制，由于植物工厂系统的可控性，在一定程度上减少了植物生长、生产在区域和气候上的影响，这是一种融合了计算机技术、传感器技术、农业应用技术、网络通信技术和物联网技术、是科学技术密度高、不受或极少受气候及环境影响和制约的高精度、高效率农業生产系统。

2、研究内容

本论文结合嵌入式、无线通信、云平台技术等，设计了一种植物工厂管理系统硬件平台，实现了环境因子参数的采集、存储及控制，并可通过PWM调光技术，结合PID控制算法实现系统的恒照度调光。同时开发了系统应用软件平台，实现了通过远程客户端对植物工厂环境参数的实时监测和控制功能。

本系统主控芯片选择STM公司的32位单片机STM32103RCT6，传感器模块采集植物工厂内温湿度、光照度和CO2浓度，温湿度传感器选用DHT11模块，该模块内部集成温湿度感应元件，能够精准的获取环境的温湿度。光照传感器选用GY-30模块，CO2浓度传感器选用双通道传感器MG-811，能够准确快速的获取空气中的二氧化碳浓度或含量。无线接入模块使用ESP8266WiFi模块，通过主控芯片MCU的串口2与无线模块通信，无线模块接入本地路由，进而接入无线网络实现传感器节点的无线传输。继电器模块选用电磁继电器，负责控制相应的执行机构。云端进行数据的存储、归类、分发，并负责其他相关信息的收集和信息发布。自主开发移动客户端，用户可以在任何有网络的地方通过手机APP或者PC端网页查看植物工厂内的环境参数，用户还可根据显示的实时数据作出判断，发出控制命令，结合设定的控制算法控制执行机构动作，达到植物工厂内环境参数的调节。

3、本系统设计的关键技术

（1）系统总体架构设计：系统采用嵌入式设计方案，分为硬件电路设计和主控软件设计两大部分。因系统功能需要，硬件电路需同时连接温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、显示器模块、时钟模块、网络模块及强电控制电路等多个外围电路，所以选择了功能较为强大的STM32F103控制芯片作为控制核心。且该芯片具有寄存器和软件库两种开发方式，主控程序选用C语言为基础的KEIL5为集成开发环境。

本系统主要包括主控电路模块、电源模块、传感器模块、摄像头模块、时钟模块、LCD显示屏模块、网络通信模块及强电驱动电路。主控模块是整个控制系统的核心。电源模块分为系统电源模块和LED模组电源两部分。传感器模块包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器，用于系统的环境参数采集。摄像头模块用于实时获取环境图片。时钟模块用于记录采集环境参数的时间。LCD显示模块用于实时显示环境参数和调试信息。网络通信模块采用无线WiFi，方便设备用于接入internet。强电驱动电路采用继电器模块，通过低压5V电路控制高压220V电压设各，各个模块既相对独立又相互关联，与主控芯片一起构成了系统电路。系统的功能模块如图1所示。

（2）系统硬件电路架构设计：设计的植物工厂系统是远距离的监控系统，传输协议是TCP/IP协议，各个部分之间通过TCP协议下的socket进行网络通信的。系统采用WiFi无线方式接入网络，因此需要附近有路由器等网络设备的支持。在实地生产环境使用时可以采用多点部署，即可以同时对多个植物工厂进行监控，也可以对同一植物工厂的不同部署点进行监控。系统硬件电路架构设计如图2所示。

将系统安装到实际生产环境后，当地网络设备会为每个植物工厂内的系统或者一个植物工厂内的多个节点系统分配一个唯一的IP地址，并且通过ESP8266 WiFi模块接入到本地路由器，路由器接入部署好的云服务端。用户的手机、电脑等终端只要能够接入网络，均可以查看和控制植物工厂相应系统的环境参数。开发了手机移动端APP，下载安装APP就可通过手机移动客户端软件查看控制植物工厂内环境参数，同时可控制其温室内的光照、通风等设备。结合数据库开发了Web页面，部署了IIS服务器，通过电脑Web端也可以很方便的查看实时环境参数和历史数据。不但解决了传统有线系统布线复杂的问题，而且用户通过移动终端可随时随地的对植物工厂进行监控，不再局限于局域网内通信，真正意义上实现了远程监控。

（3）本系统软件设计：系统软件主要包括主控系统软件设汁、云端服务器软件设计和移动客户端软件设计三大部分。主控系统软件设计选用了以STM32F103RCT6为主控芯片的开源嵌入式硬件平台，平台为开发者提供寄存器和库函数两种开发方式。同时还拥有一个完善的集成开发环境uVision5 IDE，该开发环境加强了对Cortex-M微处理器的支持，其开发语言采用传统的C/C++语言，开发环境提供了系统文件、串口通信软件以及一些常用的功能软件。主控系统软件部分设计主要分为6个模块：传感器通信驱动模块、强电控制电路、摄像头驱动模块、PWM调光模块、LCD显示屏驱动、时钟驱动模块。云端服务器软件选用C#语言实现，编程环境是VS2010集成开发环境，实现数据的存储和转发。移动端软件分为手机APP开发和电脑端Web开发，手机端软件采用Eclipse集成开发环境，使用JAVA语言编程，电脑端采用ASP.NET类进行页面的设计。整个系统的通信均采用基于TCP/IP协议下的socket通信。系统软件功能模块如图3所示。

4、研究结果

本研究设计的基于智能控制和云平台技术的远程植物工厂监控系统，结合了大数据、云平台、智慧农业等技术，测量参数多、测量精度高，极大的方便了植物工厂管理者对植物工厂环境的监控，降低了植物工厂管理的劳动强度，提高了植物工厂的科学管理水平和生产效率。

【参考文献】

[1]张浩伟，基于智能控制和云平台技术的远程植物工厂系统研究[D]，天津工业大学，2017.

[2]周曼丽，植物工厂环境控制系统的设计[D]，江苏科技大学，2012.

作者简介：冯艳平（1983—），女，硕士，讲师，研究方向：THz成像技术及图像处理。

基金项目：2019年度河南省高等学校重点科研项目：基于嵌入式和云平台技术的植物工厂智能化系统研究，项目编号：19A510026