基于物联网的多功能可移动家用种植池的设计

(上海海洋大学 工程学院，上海 201306)

近年来城市化程度越来越深，城市可耕地资源大量减少，人们的生活逐渐远离了耕种。在人们的日常饮食中，蔬菜是必不可少的食物，有限的耕地使得城市里的人们只能吃到从市场上买来的蔬菜，但是为了满足市场需求，目前种植单位普遍采用大棚种菜，为防止蔬菜遭受虫害，在经济利益的驱动下，一些农户随意使用国家明令禁止的有机磷剧毒农药，使得蔬菜中有毒物质含量严重超标，严重影响消费者的身体健康[1]。由于蔬菜收获后技术设施和贮藏方法不完善，加上北京、上海、广州等中心城市高达50%的果蔬异地流通[2]，落后的物流方式使得蔬菜运输周期长，并且运输过程中蔬菜损耗严重，不能保证新鲜度。近些年来，毒豆芽、毒韭菜等蔬菜安全事件频频发生，蔬菜的安全问题已经受到人们的广泛关注[3]。针对这样的现状，笔者设计了一种基于物联网的多功能可移动的家用种植池，通过机械结构优化设计，大大提高了环境空间利用率；采用LED植物生长灯作为光源，可保证稳定的光合作用来维持种植池内蔬菜的正常生长；并通过基于物联网的三层网络设计，实现无线传输和自动控制，实时检测和调节蔬菜生长过程中的各种环境参数，并由远程PC端和移动端对蔬菜的生长过程进行监控和管理，实现了蔬菜的科学和智慧种植。

1 系统总体方案设计

1.1 机械结构设计

本装置设计了垂直立体分层种植结构，其机械结构框架如图1所示，主要包括可伸缩透明防护层、透明伸拉门、主种植池、两个可伸缩扩展种植池、底部万向轮。本装置设计了6层，其中有5层可用于蔬菜种植，最上层用于安装下层蔬菜生长所需设备。每层含有一个主种植池和两个扩展种植池，扩展种植池可根据环境空间进行伸缩移动。在装置中部安装了环境温度传感器，且每个种植池内都合理布设了土壤湿度传感器、土壤pH传感器、二氧化碳浓度传感器、松土搅棒等。种植池底部结构如图2所示，在每个种植池底部，安装有LED植物生长灯、环形喷洒管道、冷气/暖气换气口以及排水通风小洞，用来给下层蔬菜提供所需的生长设备。

图1 机械结构模型

1.2 控制方案设计

系统总体控制方案如图3所示，蔬菜种植池智能监测控制系统是根据物联网中感知层、网络层和应用层体系架构[4-6]来设计的，由监测传输层、综合控制层以及远程管理层3部分组成。监测传输层是由种植池环境参数传感器和传感器节点构成。传感器可以对各种环境参数数据进行实时检测，但要精准地检测环境参数数据，就需大量的传感器节点，本系统在传感器节点上配置了温度传感器。pH传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光照度传感器等[7]，传感器节点分为电源模块、ZigBee无线通信芯片CC2530、晶振电路、射频天线RF共4个部分，用来采集种植池内的环境参数信息。ZigBee无线传感网络实时接收由信号转化而来的可识别射频信号，实现智能感知环境变化[8-9]。综合控制层包括数据分析与处理、参数设备调节2个部分，并将各种参数的数据通过GPRS或WiFi无线网络传输到远程管理层。远程管理层设有上位机监控装置，对本系统进行远程实时智能控制。

图2 池底结构模型

图3 系统控制结构

2 系统硬件设计

本系统硬件结构如图4所示，本装置分为种植池环境参数传感器检测节点、种植池环境参数调节节点、无线通信模块以及监控管理中心4个部分。监控管理中心由协调器CC2530作为主控芯片，与LCD显示屏和GPRS模块相连，实现本地数据显示和远程监控。

种植池环境参数监控采用带CC2530的传感器节点模块，采集到的数据通过ZigBee通信网络传送给协调器CC2530主控芯片，主控芯片对采集的数据进行分析判断，比对各种参数范围，发出相应的控制信号，并在LCD液晶显示屏上显示各种参数的变化信息和相应调节装置的情况。远程PC端和移动端可以通过无线通信模块接收种植池内的各种环境参数数据，并对参数进行实时监控和调节。

2.1 种植池环境参数传感器检测节点

本系统的种植池环境参数传感器检测节点由种植池环境参数传感器和数据处理模块构成。种植池环境参数传感器模块主要包括环境温度传感器、土壤湿度传感器、光照度传感器、土壤pH传感器、二氧化碳传感器以及相应的信号调节电路，用于实时监测池内环境参数的变化。数据处理模块用来处理传感器检测到的数据，并进行相应的模数转换。采用DS18B20温度传感器、Moisture Sensor土壤湿度传感器、X8W850-H1土壤pH传感器、SprintIR6S二氧化碳传感器。数据处理模块采用CC2530芯片，用来处理传感器检测到的数据，利用ZigBee无线网络进行发送。CC2530芯片内部包含一个增强型的8051控制器，具备丰富的外设资源，开发方便，可节省硬件资源[10]。

2.2 种植池环境参数调节节点

种植池环境参数调节节点由种植池环境参数调节装置和数据处理模块2个部分组成。参数调节模块含有调节环境温度、土壤湿度、光照强度、土壤pH、二氧化碳浓度等参数的装置。数据处理模块中的CC2530通过ZigBee模块对接收的数据进行分析，判别参数是否在设定的范围内，根据判断结果，通过继电器电路控制各个调节设备的通断，从而实现智能调控。

2.3 无线通信模块

无线通信模块采用网蜂科技的ZigBee模块建立星状传感网络实现短距离数据传输，具有低功耗、低成本、传输数据可靠的优点[11]，它基于IEEE 802.15.4无线标准研究开发，系统采用ZigBee技术，设计和实现基于CC2530芯片搭建的无线传感网络[12]。

2.4 监控管理中心

本系统采用CC2530作为主控芯片，它整合了全集成的高效射频收发机及业界标准的增强型8051微控制器、8 KB的RAM及其他强大的支持功能和外设，支持ZigBee及其他所有基于802.15.4标准的解决方案[13]，具有丰富的增强型GPIO端口，每个GPIO端口可以自由编程，可用于本系统与外部设备的信息通信[14-15]。终端CC2530通过ZigBee接收到各节点CC2530控制器处理后的数据，并在LCD液晶屏12864上显示，终端CC2530的串口与GPRS模块进行通信连接，可使远程用户终端通过GPRS网络进行数据接收[16]，进而构成可远程监控与管理的系统。

3 系统软件设计

本系统以嵌入式系统作为基本设计框架，以ZigBee无线网络通信技术连接构成。

ZigBee无线通信网络技术的设计基于其无线通信协议，采用了模块式的编程技术来建立无线网络。在本系统中，应用此技术完成了种植池环境参数传感器检测节点控制程序的设计以及协调器控制程序的设计。种植池环境参数传感器检测节点控制流程如图5所示，当判断已成功加入网络后，方可进行传感器数据的检测读取，并将数据定时发送给协调器进行分析处理。本系统协调器节点控制流程框图如图6所示，当协调器查找到网络，并接收到了种植池环境参数传感器检测节点发来的数据后，会对数据进行处理分析，判断其是否在设定的范围内，如果在，则继续检测数据，如果不在，则将指定控制信息传达到相应调节装置的ZigBee接收端，调节装置接收到指令后，会进行相应的调节操作，实现系统的智能控制与自动调节。

图4 系统硬件结构

图5 种植池环境参数传感器检测节点控制流程

4 系统上位机软件设计

本装置的电脑PC端上位机软件采用LabVIEW开发，应用LabVIEW设计的客户端能够清晰直观地观察各项数据指标，可根据采集来的信息对系统的调节装置发出相应的控制指令[17]，方便用户进行操作。上位机智能监控系统的设置界面如图7所示，数据的传输由串口通信来实现，上位机通过无线串口软件与监控管理中心的GPRS模块进行通信，实现数据的互传。

图6 协调器节点控制流程

5 实验

5.1 环境参数和控制调节装置的测试实验

为了检测种植池内环境参数传感器数据的准确性和相应控制调节装置的运行稳定性，特对其各种环境参数和控制调节装置进行了测试。在种植池里合理布设了环境温度传感器、土壤湿度传感器、土壤pH传感器、二氧化碳传感器等。本实验以菠菜为例，根据菠菜生长过程中的最优环境条件可知，环境温度的允许范围为20～30 ℃，设置环境温度下限警戒值为20 ℃，上限警戒值为30 ℃；土壤湿度的允许范围为70%～80%，设置土壤湿度下限警戒值为70%，上限警戒值为80%；土壤pH值的允许范围7.3～8.2，设置土壤pH下限警戒值为7.3，上限警戒值为8.2；CO2浓度的允许范围为6.7～8.5 mg/L，设置CO2浓度的下限警戒值为6.7 mg/L，上限警戒值为8.5 mg/L。在测试的过程中添加人为干扰，以检测调节装置的灵敏度，环境参数和控制调节装置的测试数据如表1所示。

图7 上位机智能监控界面

测试时间传感器检测数据调节装置状态温度值/℃pH值土壤湿度值/%二氧化碳浓度/mg·L-1温度调节装置pH调节装置土壤湿度调节装置二氧化碳浓度调节装置警示灯报警9:20:00227.0657.5OFFONONOFFpH报警灯,湿度报警灯9:20:30227.1667.4OFFONONOFFpH报警灯,湿度报警灯9:21:00227.2677.4OFFONONOFFpH报警灯,湿度报警灯9:21:30217.3687.2OFFOFFONOFF湿度报警灯9:22:00217.5697.0OFFOFFONOFF湿度报警灯9:22:30207.5706.7OFFOFFOFFOFF无报警9:23:00187.5716.5ONOFFOFFON温度报警灯,二氧化碳浓度报警灯9:23:30197.5726.6ONOFFOFFON温度报警灯,二氧化碳浓度报警灯9:24:00207.8726.7OFFOFFOFFOFF无报警9:24:30218.0726.8OFFOFFOFFOFF无报警9:25:00218.2726.8OFFONOFFOFFpH报警灯9:25:30218.1736.8OFFOFFOFFOFF无报警

从表1的实验数据可知，系统设置了每隔30 s进行一次数据采集，通过监控传感器的读数和远程用户终端，可以实时的获取环境温度值、土壤pH值、土壤湿度值以及CO2浓度值等环境参数，这些参数通过ZigBee无线通信技术传输给主控芯片，主控芯片进行数据分析处理，启动相应的调节装置。从实验数据来看，无线传输的速率快，数据传输稳定可靠，系统执行设备响应及时。经测试，环境温度误差处于1 ℃之内，土壤湿度误差处于2%范围内，pH值误差处于±0.1范围内，CO2浓度误差在±0.4 mg/L范围内，远程上位机运行正常，满足了蔬菜种植生长的监控和调节需求。

5.2 本装置对植物生长及品质的影响

为了验证本装置的实用性和突出优势，特与传统种植进行了试验对比。以菠菜种植为例，试验分为两组，第一组在本装置中进行，第二组在室外自然环境下进行。本装置中温度控制在20～23 ℃，每天光照时长为12 h，生长环境的湿度、二氧化碳浓度等控制在最适条件下，另一组在自然环境下进行种植。本试验于2018年12月至2019年1月在上海市上海海洋大学工程学院实验基地及实验室中完成。

5.2.1 不同处理环境下菠菜生育期的测试

菠菜生育期包括播种期、营养生长期、生殖生长期和收获期4个阶段，菠菜种子选取优质的“三季丰菠菜王 F1”品种。本研究测试时间从2018年12月4日菠菜种子播种后开始计时，一直到菠菜收获期开始时结束。不同处理环境下菠菜生育期的试验数据如表2所示，由表2可以看出，在本装置各种最适生长环境以及LED稳定光源的环境中菠菜的营养生长期较自然环境下早6 d，生殖生长期较自然环境下早7 d。

5.2.2 不同处理环境下菠菜株高的测试

不同处理环境下菠菜株高的试验数据如图8所示。在两种生长环境下，根据表1测得的两种状态下菠菜总的生育期时长，选取生育期第4、14、24、34 d测量菠菜的株高。由图8可以看出，生长14 d时，各处理株高的增幅最大，随着菠菜生育期的延长，各处理株高的增长速率呈下降的趋势，且在不同的生长阶段，在本装置环境下的株高明显大于自然环境下的株高。

表2 不同处理环境下菠菜生育期调查

图8 不同处理环境对菠菜株高的影响

5.2.3 不同处理环境下菠菜茎粗的测试

不同处理环境下菠菜茎粗的试验数据如图9所示。在两种生长环境下，根据表1测得的两种状态下菠菜总的生育期时长，选取生育期第4、14、24、34 d测量菠菜的茎粗。由图9可以看出，在菠菜整个生长过程中，在本装置环境下的茎粗都要大于在自然环境下的茎粗，随着菠菜生育期的延长，各处理的茎粗差值也逐渐增大。

图9 不同处理环境对菠菜茎粗的影响

通过以上试验数据分析可知，本装置可以保证蔬菜稳定的生长环境，缩短蔬菜的生育期，蔬菜长势较自然环境下更加突出明显。

6 结束语

本文设计并实现了一种基于物联网的多功能可移动的家用种植池，该装置采用可分层伸缩结构设计，合理布设LED植物生长灯、环形喷洒管道、冷气/暖气换气口、排水口等蔬菜生长所需设备。通过三层物联网架构，利用ZigBee无线通信技术，对蔬菜生长环境参数进行实时监控和调节，并设计了便于用户进行远程访问与管理的LabVIEW上位机监控界面，实现了蔬菜种植过程的全自动。通过菠菜在不同环境下生长情况的对比试验，该装置可实现蔬菜的稳定生长，缩短生育期，具有良好的推广和应用价值。