徐 登 周漢清 余 宏

(常州機電職業(yè)技術學院信息工程學院 江蘇常州 213164)

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家用植物種植遠程智能控制系統設計

徐 登 周漢清 余 宏

(常州機電職業(yè)技術學院信息工程學院 江蘇常州 213164)

設計一套家用植物種植遠程智能控制系統，包含本地端控制器、云端服務器、手機移動端設備三大模塊，本地端以STM32為控制核心，云端服務器采用Apache Mina網絡架構，移動端采用手機Android平臺。系統可在本地和遠程手機客戶端通過手動或自動工作方式進行植物生長環(huán)境監(jiān)測和控制，保障室內植物健康成長。

STM32處理器； Apache Mina； 手機Android； 植物種植； 遠程智能控制

0 引言

隨著人們生活品質和審美情趣不斷提升，綠色、健康、智能的家庭植物種植平臺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種植發(fā)展的趨勢。目前，植物種植平臺主要沿著適用于工廠化生產的大型植物種植平臺[1]和適用于家庭的微型植物種植平臺兩個方向發(fā)展[2-4]。日本、荷蘭、美國等發(fā)達國家在這兩個方向都基本實現了產業(yè)化，國內對植物種植平臺相關技術的研究起步較晚，但近幾年也取得了一些成果。

從國內微型植物工廠研究成果來看，在現階段的國內家用微型植物工廠控制系統研究中，多采用PLC作為控制器，控制靈活性、擴展性差。在目前的遠程控制架構方案中，大多采用GPRS電信網絡實現遠程互聯互通，面臨通信速度慢、實時性差等缺陷[5]。也有采用本地嵌入式WEB服務器實現遠程監(jiān)控，面臨互聯網接入不方便、移動性差等缺陷。這些因素都使得家庭微型植物工廠控制系統復雜笨重，成本較高，不利于家庭推廣。

本文在吸收前人研究技術的基礎上采用云端服務器，通過Apache Mina網絡應用程序架構，負責與本地控制器通信，交換數據，提供網絡服務，同時與基于Android的移動手機APP端智能終端通信。系統架構科學高效、可靠性強、實時性好、控制靈活方便、成本低廉，系統用戶容量大。同時，系統還具備簡潔美觀的人機交互界面，舒適便捷的人機交互體驗，滿足了現代人家用植物種植和現代先進電子產品諸如手機APP端的體驗需求。

1 系統實現方案

家用植物種植智能控制系統總體方案如圖1所示，包括本地控制器、云端服務器、智能終端設備三大模塊：本地控制器可以在本地完成顯示與人機交互控制任務，也可以與遠端智能終端設備通信，向遠端智能終端設備發(fā)送數據，接收遠端智能終端設備的數據。本地控制器通過無線網絡，連接至云端服務器；云端服務器采用Apache Mina網絡應用程序框架，負責與本地控制器通信，交換數據，提供網絡服務，同時與遠端智能終端通信；遠端智能終端(手機)通過云端服務器與本地控制器交換數據，實現遠程數據顯示與控制。

圖1 系統總體方案

2 硬件電路設計

硬件設計主要是本地端控制器硬件設計及制作：包含CPU模塊、電源模塊、數據采集模塊、輸出控制模塊、人機交互顯示觸控模塊以及無線wifi通信模塊的器件選型、原理圖和PCB設計。

CPU模塊采用STM32F103ZET6處理器，如圖2所示。

圖2 STM32F103ZET6處理器

電源模塊采用12 V開關電源，通過AMS1117芯片轉成5 V和3.3 V，為繼電器、傳感器和處理器供電，如圖3所示。

圖3 電源模塊

數據采集模塊包括溫濕度傳感器、光強傳感器、PM2.5傳感器、甲醛傳感器等。通過這些傳感器采集環(huán)境參數，PM2.5和光強傳感器采用I2C總線接口與STM32處理器通信，溫濕度傳感器AM2301和甲醛傳感器使用了異步串行口與STM32串口通信，如圖4所示。

輸出控制模塊共六組，每組都是通過光耦PC817隔離驅動繼電器控制外接澆灌、通風、加濕、補光等電器開關。具體電路如圖5所示，Relay1接STM32GPIO口，通過IO控制光耦驅動繼電器K1的開關達到對外圍電路的通斷控制。

圖5 輸出控制模塊

人機交互顯示觸控模塊硬件采用DGUS迪文7英寸人機交互觸摸屏。如圖6所示，DGUS屏是RS232接口，通過Max232芯片對STM32的usart1 TTL電平進行轉換，達到處理器和顯示屏的控制電平匹配，從而實現數據的發(fā)送和接收。

圖6 人機交互顯示觸控模塊

Wifi通信模塊采用了有人物聯網公司的高速度低功耗串口Wifi透傳模塊USR-C322，支持AP模式和STA模式。通過該模塊，配置其工作在STA模式，可以將本地控制器通過串口發(fā)送AT命令方式連接到Wifi網絡上，從而實現本地控制器和服務器進行數據通信，如圖7所示。

圖7 wifi通信模塊

3 系統軟件程序設計

系統軟件主要是本地端控制器、云端服務器、智能手機終端設備的程序設計，包含植物種植智能控制系統控制策略和通信協議的制定、DGUS變量組態(tài)屏開發(fā)、本地端控制程序的開發(fā)、服務器端程序的開發(fā)以及智能手機終端APP的開發(fā)。

3.1 控制策略

控制策略是對系統本地、遠程以及手動、自動各個控制環(huán)節(jié)進行功能設定，確定各個控制邏輯和需要達到的控制目標等。

1)澆灌(內部設置)：夏天一天兩次，每次15分鐘，上午7：00～7：15，下午19：00～19：15；春秋天兩天一次，每次15分鐘，上午7：00～7：15；冬天三天一次，每次15分鐘，中午12：00～12：15。

2)通風(與水幕聯動，澆灌通路2)：一天一次，每次1小時，中午12：30～13：30。

3)補光(內部設置)：一天兩次，每次2小時，上午6：00～8：00，下午18：00～20：00

4)溫度(攝氏)：低于18℃冷；8℃到28℃之間舒適；高于28℃炎熱。

5)相對濕度：低于50%干燥；50%到68%之間舒適；高于68%潮濕。

6)甲醛：低于0.08ppm正常；0.08到<0.1之間預警；高于0.1超標。

7)PM2.5：指數0～50，正常；50～100，預警；高于100，超標。

8)系統通過上述自動控制策略進行澆灌、補光等控制核參數監(jiān)測，也可通過本地端或手機端手動控制澆灌、補光等任務。

3.2 通信協議

通信協議的制定主要是對本地端和服務器以及手機端和服務器之間傳輸的數據幀格式進行規(guī)定，便于控制過程中進行解析。

3.2.1 本地端向服務器發(fā)送報文類型和格式

1)注冊報文(類型代碼1，值為0x01)

3B報文頭6BMAC地址1B類型碼12BCRC163B報文尾

應答參數報文(類型代碼2，值為0x02)

3B報文頭6BMAC地址1B類型碼21B提示代碼1B狀態(tài)代碼4B甲醛1B3BPM2．51B4B澆灌1B5B溫度1B2B濕度1B1B4B補光2BCRC163B報文尾

2)應答控制確認報文(類型代碼3，值為0x03)

3報文頭6MAC地址1類型碼32CRC163報文尾

3.2.2 服務器向下位機發(fā)送報文類型和格式

1)注冊確認報文(類型代碼1，值為0x01)

3報文頭6BMAC地址1B類型碼12BCRC163B報文尾

2)向下位機請求數據(類型代碼2，值為0x02)

3報文頭6MAC地址1類型碼22CRC163 報文尾

3)向下位機發(fā)控制命令(類型代碼3，值為0x03)

3B報文頭6BMAC地址1B類型碼31B濕度1B甲醛1B澆灌1B補光1B保留1B保留2BCRC163B報文尾

3.2.3 報文類型和格式說明

1)報文頭和報文尾都是3個字節(jié)，并且內容相同，為：0x55，0xAA，0x55。

2)采用CRC16校驗，校驗內容：不含報文頭、報文尾，從MAC地址開始，至校驗位前的所有數據。

3)提示代碼和狀態(tài)代碼等按照不同的控制對象和邏輯區(qū)分進行各自編碼，“B”代表Byte，一個字節(jié)。

3.3 DGUS變量組態(tài)屏開發(fā)

DGUS變量組態(tài)屏開發(fā)主要是對UI界面進行設計，對相關顯示變量進行變量組態(tài)開發(fā)。如圖8所示，通過DGUS軟件的變量配置、觸控配置等功能進行本地端登錄界面、主界面、wifi登錄、數字鍵盤等控制界面的參數配置，方便本地端STM32控制程序的開發(fā)。同時供本地端控制程序對各方數據進行匯總處理顯示，是整個系統本地端人機交互和顯示樞紐。

圖8 DGUS變量組態(tài)屏開發(fā)

3.4 本地端控制程序的開發(fā)

作為核心控制器的本地端控制流程圖如圖9所示，系統主函數包含5個處理函數，其具體以功能如下：Init函數主要是對系統時鐘、片上外圍接口、網絡應用、觸摸屏應用等進行軟硬件初始化；UITaskHandler函數完成UI界面處理功能，其任務是對迪文觸摸屏進行數據接收、UI界面提示處理；appTaskHandler函數負責用戶應用層處理任務，主要是進行環(huán)境算法評估、自動控制任務處理；nwkTaskHandler函數負責網絡管理任務，包含Wifi模塊初始化及與服務器網絡連接、網絡連接后數據的收發(fā)處理；SYS_TimerTaskHandler函數完成定時或周期執(zhí)行任務管理，在函數中定義了2秒、3秒和5秒三個周期調用節(jié)點，2秒鐘周期調用用于讀取更新各種環(huán)境參數，3秒鐘周期調用用于RTC更新和屏幕顯示刷新，5秒鐘周期調用用于檢測網絡狀態(tài)并維護在線時網絡心跳。

3.5 服務器端程序開發(fā)

服務器采用Apache Mina網絡應用程序框架，負責與本地控制器通信，交換數據，提供網絡服務，用于協調本地端和手機移動端的協同工作，是系統的數據棧。服務器實時接收本地端發(fā)送的報文，將報文發(fā)送至手機APP端。同時也在實時接收手機APP端發(fā)送的報文，將報文發(fā)送至本地端。

圖9 本地端控制流程圖

3.6 手機終端APP程序開發(fā)

手機端采用Android程序，是本地端UI界面的遠程控制移動版，主要是與服務器通信，從而完成與本地端數據的通信，實現人機交互顯示和觸控功能。

4 產品調試

將本地控制器軟硬件、服務器程序、手機APP段程序分別調試準備好以后，進行了系統的聯機調試。如圖10所示，系統可以對植物生長環(huán)境進行本地觸摸屏和遠程手機APP檢測和智能控制，也可以通過手機APP對其進行遠程檢測和智能控制。同時系統可在本地和遠程通過手動或自動工作方式對植物生長環(huán)境進行澆灌、補光、加濕、通風等操作，為植物提供良好的生長環(huán)境，保障室內植物健康成長。

圖10 系統實物圖和手機控制界面

5 結束語

本文設計了一套基于Apache Mina及手機Android的家用植物種植遠程智能控制系統，控制器以STM32位控制核心，系統可在本地和遠程手機客戶端通過手動或自動工作方式進行植物生長環(huán)境監(jiān)測和控制，保障室內植物健康成長。系統主要用于現代家用植物種植領域的智能化管理，可延伸至現代農業(yè)領域如室外大棚種植管理等，也可用于環(huán)境惡劣地區(qū)的室內作物種植管理，具備良好的推廣前景。

[1] 張曉慧，周增產，王峻峰，等．植物工廠關鍵技術的研究與應用[J]．北方園藝，2010(4)：204-207．

[2] 孫剛，鄭文剛，喬曉軍，等．一種密閉式微型植物工廠：中國，201120171443[P].2012-01-04．

[3] 商守海，周增產，卜云龍，等．JPWZ-1型微型植物工廠的研制[J]．農業(yè)工程，2012(1)：44-47．

[4] 魏靈玲，楊其長，段發(fā)民，等．一種微型蔬菜工廠：中國，201010225792.4[P].2011-01-02．

[5] 周曼麗，姜文剛.基于嵌入式Web 服務器的植物工廠遠程監(jiān)控系統研究與實現[J].中國農機化， 2011(5)：90-95.

[責任編輯：李娟]

Design of Remote Intelligent Control System for Household Plants

XU Deng ZHOU Hanqing YU Hong

(College of Information Engineering，Changzhou Institute of Mechatronic Technology， Changzhou 213164， China)

A set of remote intelligent control system for household plants is developed， which includes the local terminal controller， cloud server， mobile terminal equipment three modules. The local terminal controller uses the STM32 as processor. The cloud Server uses Apache Mina structure. The mobile terminal uses the Android platform. This system can be used in local and remote mobile client through manual or automatic mode of operation of plant growth environment monitoring and control， to guarantee the healthy growth of indoor plants.

STM32 Processor; apache Mina; mobile Android; household plants; remote intelligent control

2017-02-16

常州機電職業(yè)技術學院院級重點課題(2016ZDKJ03)

徐 登(1982-)，男，講師，碩士，主要研究方向：嵌入式系統應用技術

TP 273

A

1672-2434(2017)02-0019-06