基于Labview的光照环境控制器智能监控系统

付少明　滕光辉　李志忠　李悟杰（中国农业大学水利与土木工程学院，农业部设施农业工程重点实验室，北京 100083）

基于Labview的光照环境控制器智能监控系统

付少明滕光辉*李志忠李悟杰
（中国农业大学水利与土木工程学院，农业部设施农业工程重点实验室，北京 100083）

∶随着人们生活水平的提高，阳台农业受到越来越多的关注，为此设计了一种针对家庭使用的LED全人工光型密闭式光照环境控制器，既能提供作物生长的环境条件，又能实现作物生长信息的远程监控和管理；该系统基于Labview平台开发，不仅可以实时监测和显示种植空间的环境参数，根据作物生长需要对光照环境控制器内的温度、湿度、CO2浓度及光照时间进行分时段的独立设置，还可以利用3G+VPN技术通过Web浏览器实现远程监控。以叶用莴苣为试验作物，对该远程监控系统运行的稳定性进行测试，结果表明该远程监控系统运行稳定可靠，具有应用前景。

∶光照环境控制器；Labview；远程监控；LED光源；叶用莴苣

随着人们生活水平的提高，对食品安全和品质的要求越来越高；近年来，利用植物工厂技术，针对家庭使用的光照控制器的研究越来越多（梁宝忠，2010；魏灵玲 等，2011；商守海 等，2012；艾海波 等，2013；Sabzalian et al.，2014）。植物工厂具有高产稳产、产品品质好、食用安全等优点，同时能有效检测和控制植物生长过程中的环境参数（刘水丽，2007；余锡寿和刘跃萍，2013；杨其长，2014）。目前，国内外学者通过对作物生长需求的分析和研究，已经获得了许多作物生长所需的参数值。如何利用这些数据制定作物的种植方案，提高生产效率是亟待解决的问题。针对该问题，在相关领域已有研究，主要表现为建立了基于物联网的、针对生产对象的环境信息采集管理系统（贺冬仙 等，2007；朱伟兴 等，2012；颜波和石平，2014）。

通过对国内外学者在植物工厂信息管理方面的研究成果分析（Ohyama et al.，2002；Stipanicev& Marasovic，2003；贺冬仙 等，2007；Liu，2012；李萍萍和王纪章，2014；涂俊亮 等，2015），中国农业大学水利与土木工程学院农业部设施农业工程重点实验室与中农绿科（北京）农业技术研究所合作，基于Labview平台设计了智能化光照环境控制器远程监控系统，实现了对光照环境控制器内温湿度、CO2浓度等生产信息的全方位管理和远程监控。本文以叶用莴苣（Lactuca sativa L.）为例，对光照环境控制器智能监控系统进行了全面解析，旨在为其快速进入市场奠定理论基础。

1　作物栽培流程和环境信息分析

借鉴颜波和石平（2014）的研究思路，结合现场调研，确定作物生产流程并对重要环节进行分析，总结作物不同生长阶段的环境需求特点，进行光照环境控制器的设计，实现资源优化配置。

笔者通过对北京小汤山现代农业科技示范园设施园艺示范基地以及农业部设施农业工程重点实验室（植物工厂实验室）的调研，基本确定叶用莴苣的生产流程如图1所示。

目前，设施调控主要分为环境调控和营养液调控两大块（王纪章，2013），对应叶用莴苣生长影响因子分为环境因子和营养液因子。叶用莴苣生长过程中的环境影响因子主要包括光照、温度、湿度、CO2浓度、风速等；营养液影响因子主要包括pH值、EC值和溶解氧含量等。另外，栽培用户的需求还包括耗电量、耗水量和视频信息。

图1　叶用莴苣栽培流程

通过对叶用莴苣生长环境信息的监控，可以确保叶用莴苣的生长环境最优，保证产量和栽培周期的连续性；通过对电量、水量和视频监测，不仅可以帮助栽培用户计算生产成本，还可以监测栽培设备的运作状况，从而保证栽培过程的正常运行。

2　系统总体架构

为了实现针对叶用莴苣的光照环境控制器中环境信息的采集和管理，基于物联网的光照环境控制器智能监控系统逻辑上主要分为三大模块∶光照环境控制器现场控制子系统（现场控制站），基于3G和VPN的网络子系统，远程控制中心子系统（图2）。

2.1现场控制站

光照环境控制器现场控制子系统包括4个模块∶PLC环境控制模块、PLC控制器与水电表组建的基于RS-485总线的信息传输模块、视频监控模块、现场服务器和数据库管理模块。

图2　基于物联网的光照环境控制器智能监控系统的硬件架构

2.1.1PLC环境控制模块 基于PLC的光照环境控制器的环境信息采集如图3所示。已有的环境信息通过有线的方式以模拟量信号的形式被采集模块采集，然后采集模块通过RS-485总线，使用Modbus协议，将信息传给PLC控制器，PLC控制器有一定的逻辑控制能力，处理后可以以“离线”的方式，通过控制开关量，对现场的加湿器、加热器、空调、风机、LED灯组、CO2电磁阀进行调控，从而保证环境指标在叶用莴苣生长的适宜范围内。

图3　光照环境控制器的环境信息采集及设备控制

2.1.2信息传输模块 现场的仪表通过RS-485总线将数字信号传输到现场服务器中，如图4所示。该系统的整体架构为分布式控制系统（李俊，2003），同时PLC的等级降低为一般的仪表，整个系统为PLC通过RS-485总线兼容于分布式控制系统中。

图4　分布式控制系统

2.1.3视频监控模块 现场安有摄像头，采用视频服务器，通过TCP/IP协议将信息传给现场服务器。

2.1.4现场服务器和数据库管理模块 现场服务器的信息采集系统基于C/S模式，采用Labview平台开发；数据库采用MySQL 5.6关系型数据库开发。现场端采用C/S模式的优点是∶可以充分利用现场服务器的强大处理能力。

现场服务器具有环境信息采集、存储、处理等功能；可以记录光照环境控制器中温度、湿度、光照强度、CO2浓度、耗水量和耗电量等信息，并将它们存储在数据库中。同时，服务器会对采集到的信息进行一定的处理。

光照环境控制器在使用过程中，传感器的稳定性可能会发生变化。因此，从方便维护的角度考虑，C/S端的本地程序加上了传感器的校准功能，在实验室或者返厂校准后，现场工作人员可以通过手动操作改变校准参数，来实现现场传感器的校准和维护。

现场C/S端具有在线调控PLC的功能。通过Labview软件，实现与下位机PLC的交互，可以在线对下位机内部寄存器的参数进行更改，从而实现对设备现场的调控。

水电管理模式。水量和电量每天采集1次；关于现阶段电量的统计，本试验采用贺冬仙等（2007）的统计方法，具体如下∶光源LED灯组单独使用1块电表进行计量，可以对光照环境控制器中光源的状态进行精确的计量和评估；用另1块电表对光照环境控制器的总耗电量进行计量，计算各个设备的耗电比例。

式中，W为总耗电量；an为每个设备的耗电量；pn为每个设备耗电所占的百分比。

现场可以通过对水电环境信息的采集和光照信息的采集，计算光照强度与能耗的比值，近似估计光照环境的发光效率，从而对光照环境进行评价和监控。

式中，pn为每个设备光照强度与能耗的百分比；W为总耗电量；Ln为每个设备光照传感器的强度。

2.2基于3G和VPN的网络子系统

3G和VPN系统的优点∶一是适用于偏远、上网不方便的地区；二是适用于临时组网，相对灵活。基于3G和VPN的网络传输系统已经得到成功应用（劳凤丹 等，2011）。

本试验中，光照环境控制器试验平台搭建的地区上网不便，而且是临时组网进行试验，所以该平台非常适合采用3G+VPN的网络传输方式。

3G和VPN系统主要是通过VPN服务器，采用微波对射的方式，以移动网络为媒介，将现场实验室和远程控制中心两个局域网连成一个局域网；同时，栽培用户和操作人员也可以通过连接远程控制中心的VPN服务器，对现场实验室的设备进行访问和调试。

2.3远程控制中心子系统

WEB监控模块是利用数据库中提供的数据提交给前台客户的浏览端。栽培用户登陆后才能操作网站的内容，不同用户具有不同级别的权限，普通用户可以进行查询数据、导出数据等简单的操作；具有系统管理员权限的用户才可以对设备、系统的设定进行操作。

同时，远程监控子系统具有与现场实验系统进行信息交互的功能。目前实现远程与现场设备同步的方法主要有两种，服务器推技术和轮训法（秦琳琳 等，2015）。与传统的远程与现场设备同步的方法相比，本系统还可以通过B/S和C/S相结合的方法，实现对现场设备（例如数字式水电表或信息采集卡）的替换或增加。

具体方法如下∶当现场需要增加新设备时，现场工作人员首先将基于Modbus传输协议的水表、电表或者其他信息采集模块接于系统中，远程控制中心的技术人员通过Web将设备的相关信息添加到数据库中；现场的C/S端程序每次运行时，都会读取数据库中所有的设备编号，从而可以使添加的新设备正常运行。采用这种方法的优点是∶在不修改C/S端程序的情况下，可以通过远程遥控，帮助没有经过专业训练的工作人员完成对现场设备的添加、维护。

3　远程监控系统运行稳定性测试

试验于2016年3～6月在中国农业大学上庄实验基地进行，供试叶用莴苣品种为玻璃生菜，种子由中农金旺（北京）农业工程技术有限公司提供，4月7日播种于海绵块上，4月28日、幼苗五叶一心时开始定植；光照环境控制器的栽培尺寸为1 200 mm×500 mm×1 900 mm，定植密度0.24 m2·株-1；采用深液流法，营养液为日本山崎配方（陆珍，2015），同时利用营养液的流动循环进行补氧，每天循环4次，每次30 min。

选取4月28～31日连续3 d的环境监控结果进行分析。这3 d处于叶用莴苣定植期，由于环境控制设备刚刚开始启动运行，以及定植时的人员操作，致使此期的温湿度等环境因子变化较为剧烈。如果这3 d的环境条件能够满足叶用莴苣的生长需求，则可以认为该系统的环境控制效果能够满足叶用莴苣的生长。

试验结果表明（图5～7），该远程监控系统运行稳定，光照环境控制器内的温度变化范围在15～30 ℃之间，湿度变化范围在40%～80%之间，可以满足叶用莴苣的生长要求。

图5　光照环境控制器内温度的变化趋势

叶菜类蔬菜生长的适宜温度范围为15～28℃，适宜湿度范围为50%～85%（商守海 等，2012；杨其长，2014）。本试验中光照环境控制器初始温度调控经历了较长时间的爬坡，同时最高温度超过了28 ℃。这一方面是因为此时正在进行定植，系统处于非密闭状态；另一方面是因为设备刚刚启动，需要一定的响应时间才能达到稳定状态。叶用莴苣植株本身也具有一定的自我调节能力，短时间的较高温度（如30 ℃）并没有对其生长造成不可逆性的伤害。

图6　光照环境控制器内湿度的变化趋势

图7　光照环境控制器内CO2浓度的变化趋势

本试验中，光照环境控制器内的湿度保持在40%～80%，与理想的控制目标值50%～85%相比，虽然可以满足叶用莴苣生长的湿度要求，但是控制效果仍需改进。在今后的试验中，可以通过调整控制阈值来改善湿度的控制效果；同时，引进湿焓图思想，研究温湿度的耦合效应（商守海 等，2012），进一步提高系统的控制效果，甚至起到节约能耗的作用。

本试验没有对CO2浓度进行控制，从图7来看系统的监测效果稳定，开始时CO2浓度的异常值是由于工作人员定植操作导致的。由于光照环境控制器空间狭小，人员操作往往会导致CO2浓度的剧烈变化，因此具有补充CO2功能的光照环境控制器应该注意系统的密封性设计。

3　结论

笔者设计了一种针对家庭使用的LED光源的全人工光型密闭式光照环境控制器，并为该光照环境控制器设计和实现一套基于Labview平台的智能监控系统。该监控系统不仅可以为作物提供满足其生长要求的环境条件，还可以通过对环境参数的合理设置，提高资源利用效率；同时，通过3G+VPN网络连接技术，将本地监控与远程监控结合起来，实现了光照环境控制器的远程监控和管理。该监控系统的成功研制为LED光照环境控制器快速进入市场奠定了基础。

艾海波，魏晋宏，邱权，郑文刚.2013.微型植物工厂智能控制系统.农业机械学报，44（s2）∶198-204.

贺冬仙，杨珀，朱本海.2007.密闭式植物工厂的嵌入网络式环境监控系统.农业工程学报，23（12）∶156-160.

劳凤丹，余里根，滕光辉.2011.设施农业3G+VPN远程监控系统的设计与实现.中国农业大学学报，16（2）∶155-159.

李俊.2003.分布式温室控制系统研制〔硕士论文〕.杭州∶江苏大学.

李萍萍，王纪章.2014.温室环境信息智能化管理研究进展.农业机械学报，45（4）∶236-243.

梁宝忠.2010.我国首例家庭版植物工厂诞生.农业开发与装备，（12）∶43-47.

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陆珍.2015.人工光照环境对水培生菜生长和品质的影响〔硕士论文〕 .北京∶中国农业大学.

秦琳琳，陆林箭，石春，吴刚，王云龙.2015.基于物联网的温室智能监控系统设计.农业机械学报，46（3）∶261-266.

商守海，周增产，卜云龙，吕科，张晓慧，李东星.2012. JPWZ-1型微型植物工厂的研制.农业工程，2（1）∶44-47.

涂俊亮，邱权，秦琳琳，吴刚，郑文刚，孟志军.2015.微型植物工厂内部环境调控试验平台研制及试验.农业工程学报，31 （2）∶184-190.

王纪章.2013.基于物联网的温室环境智能管理系统研究〔博士论文〕.杭州∶江苏大学.

魏灵玲，杨其长，段发民，王利斌，葛一峰，李群，田利静. 2011.一种微型蔬菜工厂.专利∶中国201010225792.4.

颜波，石平.2014.基于物联网的水产养殖智能化监控系统.农业机械学报，45（1）∶259-265.

杨其长.2014.植物工厂的发展策略.科技导报，32（10）∶20-24.

余锡寿，刘跃萍.2013.植物工厂栽培技术的发展及其展望.农业科技展望，（7）∶58-60.

朱伟兴，戴陈云，黄鹏.2012.基于物联网的保育猪舍环境监控系统.农业工程学报，8（11）∶177-182.

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Ohyama K，Kozai T，Kubota C，Chun C，Hasegawa T，Yokoi S，Nishimura M.2002.Coefficient of performance for cooling of a home-use air conditioner installed in a closed-type transplant production system.Shokubutsu Kojo Gakkaishi，14（3）∶141-146.

Sabzalian M R，Heydarizadeh P，Zahedi M，Boroomand A，Agharokh M，Sahba M R，Schoefs B.2014.H igh performance of vegetables，flowers，and medicinal plants in a red-blue LED incubator for indoor plant production.Agronomy for Sustainable Development，34（4）∶879-886.

Stipanicev D，Marasovic J.2003.Networked embedded greenhouse monitoring and control.Shanghai∶Proceedings of 2003 IEEE Conference on Control Application.

Abstract∶W ith improvement of people’s living standards，balcony agriculture has won more and more attention.Therefore，this paper has designed a LED light and environment controller for family usage，which can provide crops with suitable growth environment，and yet achieving remote intelligent monitoring and management of crop growth information.The intelligent monitoring system is development based on Labview. Except real-time monitor and display environmental parameters of planting space，the system also can control the environmental factors like temperature，humidity，CO2concentration and brightness of LED light based on timesegmented strategy according to the need of crops.What’s more，the system can achieve remote monitoring and control through a WEB browser with 3G+VPN technology.The results of Lettuce（Lactuca sativa L.）planting experiment indicate that this Intelligent Monitoring System runs stably and reliably.

Key words∶Light and environment controller；Labview；Remote monitoring；Light emitting diode（LED）；Lettuce

Intelligent M onitoring System for Light and Environment Controller based on Internet of Things

FU Shao-ming，TENG Guang-hui*，LI Zhi-zhong，LI Wu-jie
（Key Laboratory of Agricultural Engineering in Structure and Environment，M inistry of Agriculture，College of Water Resources and Civil Engineering，China Agriculture University，Beijing 100083，China）

付少明，男，博士研究生，专业方向∶设施农业环境控制与信息技术，E-mail∶1253866106@qq.com

（Corresponding author）∶滕光辉，男，教授，博士生导师，专业方向∶设施环境检测与信息技术，E-mail∶futong@cau.edu.cn

∶2016-06-30；接受日期∶2016-07-20

智能化植物工厂生产技术研究项目（2013AA103005）