植物工厂智能控制系统

◎徐云捷 顾敏娟 应宇恒 陈广智 惠文豪

（作者单位：江苏大学）

一、引言

现代设施农业发展飞速，许多发达国家已经将设施农业发展成为了强大的支柱产业并且形成完整的技术体系。然而我国的设施农业发展水平相较于发达国家还是存在一些差距的，所以需要在这方面的技术上多进行研究。植物工厂是设施农业的高级发展阶段，利用计算机和传感器或者电路结构等构成一个系统，对工厂环境内的温度，湿度，光强，二氧化碳浓度以及营养液等环境参数进行检测和控制，在高精度环境控制的条件下实现植物的高效高质的生产。高精度的环境控制使得植物工厂能更好的适应对生长环境有高要求的植物，如人参、灵芝等昂贵药材以及一些观赏性植物等。此外，植物工厂对于普通蔬菜水果的产量和质量更是有显著的保障。植物工厂因为其高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来。按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来农业的发展方向。

二、系统框架

植物工厂智能控制系统的系统框架如图1 所示。

图1 系统框架图

该系统选择了以FPGA 作为系统的主控，主要是相较于单片机，DSP 或者嵌入式等技术，FPGA 在设计ASIC 方面具有十分灵活的优势。系统应用于高端和高精度的监控时，会需要大量的数据处理，同时还需要进行通信工作，若使用单片机，则需要较多的定时器，且需要设定多个中断程序，较为复杂，而FPGA 正好拥有并行处理的能力，所以选择了FPGA 作为系统核心。

系统的输入分为两部分，一部分是实时工作采集环境数据的传感器部分，另一部分是控制参数的输入，即设定植物工厂需要的温度，湿度，光照强度，CO2 浓度等参数的具体值。控制参数的输入部分有三个来源：本地单片机控制台、基于以太网通信的网络控制台和基于蓝牙通信的网络控制台，程序设定中可自行规定控制台等级和控制台开关权限。

系统的输出分为两部分，一部分是控制环境外围电路的启动部分，另一部分是传感器监控数据处理后得到的环境参数。环境参数也是输出至三个控制台，以方便监测。

三、系统工作流程

植物工厂智能控制系统的工作流程图如图2 所示。

图2 系统工作流程图

植物工厂智能控制系统的工作流程可描述为以下几个步骤：

1.在总电源开启的情况下，植物工厂内的传感器根据FPGA 的驱动一直工作，并且传感器持续采样输出当前环境的参数值给FPGA。

2.三路控制台在和FPGA 保持通讯的情况下持续接收FPGA 传来的环境参数，若用户期望当前植物工厂环境参数为某一特定组合，可以本地或者两种网络方式在控制台上自行设定环境参数，经过通讯输出给FPGA。

3.FPGA 接收到控制台给定的参数后和实际环境参数进行比较，进行参数决策以发出控制信号给外围控制电路。外围控制电路根据收到的控制信号启停相应的电路。

4.外围电路的启停工作会影响环境参数发生改变，改变的环境参数会一直被传感器采集，进入系统的循环中，直到当前环境参数达到控制台设定的环境参数范围内为止。

以上对于系统工作流程的描述大致确定了系统设计的思路。

此外，对于系统的设计还需要注意一些设计要点：

1.传感器的环境参数采集需要经过滤波，否则冗余和错误数据的掺杂会导致高端应用情况下出现问题。

2.三路控制台设定环境参数需要设定权限等级，否则容易产生冲突导致系统卡死。

3.外围电路的各个部分应尽量选择参数控制相对隔离的方案，如对湿度的增大和减小方案不仅应内部分开，也应该减小对温度的影响。

四、系统设计优势

该系统为智能控制系统，主要是因为对比于目前的研究成果，本文提出的系统具有以下优势：

1. 以FPGA 的参数控制决策作为核心进行系统控制。对于外围电路控制环境因素的方案，目前很难找到仅仅只影响某一个环境因素而不干涉其他因素的方案。有了决策系统，系统会一直进行多参数的同步决策，以动态的调整环境参数达到平衡。在控制台发出期望参数之前，只需先设定合理的参数值即可。

2.控制台的多元化，其中网络控制台对于数据的处理可以兼容计算机等高级平台，对于参数的监控可以程序化托管，方便进行大量数据采集，完全自动化，对于植物生长的研究具有重大意义。

五、结语

本文讨论了植物工厂智能控制系统的设计方案，描述了包括传感器，主控芯片，环境参数控制电路以及三路控制台的功能和特点，分析了系统的工作流程和设计要点，提出了系统设计的优势。在设计的微型植物工厂模型环境下进行了整体试验，基本上完成了系统大部分监测控制等功能。