基于LoRa和组态软件的植物工厂环境监控系统的研究与实现

张志伟 ，赵 霞 ，高菊玲

(1.江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏 句容 212400；2.江苏省现代农业装备工程中心，江苏 句容 212400)

0 引 言

近年来，针对我国耕地面积逐渐减少、频发自然灾害等现状，传统农业的地位面临挑战，设施农业的发展备受关注。“植物工厂”作为设施农业的最高产物，最早是由日本专家提出，能够实现内部环境因素的精准控制，并且不受任何环境条件的影响，可以全周期生产作物。此外，采用人工光源可供植物24 h的光照，极大地提高作物的生长速率，缩短了植物工厂内作物的生长周期，无需施加农药，保证了植物的纯天然、无公害[1-3]。由于植物工厂占地面积巨大、不易推广应用等缺点，微型植物工厂应运而生。微型植物工厂的尺寸仅有冰箱大小，结构简单，在一个密闭的工作空间内，是植物工厂技术的浓缩。它是通过智能自动控制系统来控制作物生长的环境，为其提供适宜的温度、湿度、光照及成分配比合理的营养液等[4-7]。微型植物工厂的兴起，为城市居民生活带来极大方便，不仅提供绿色无公害的蔬菜，而且可增加氧气、降低室内二氧化碳，也可以作为美化家居，绿色装饰，增添了居民的生活乐趣[4-5]。

随着互联网技术的迅速发展，将该技术融入到微型植物工厂中，可以帮助用户在使用微型植物工厂期间做出基于物联网的微型植物工厂智能化监控系统开发智能化的判断和决策。近年来，基于物联网的微型植物工厂快速发展，目前还停留在试验阶段，没有真正推向市场，如何实现家庭用智能化、傻瓜化的目标，成为目前微型植物工厂取得良好实用性的关键。因此，针对具体的作物生长模型实现多目标下的微型植物工厂远程环境调控已经成为亟待解决的问题[6-7]。

1 系统整体方案设计

本试验在江苏省现代农业装备工程中心的微型植物工厂内进行。利用植物工厂内的空调、加湿器、补光灯、水循环等设备，通过LoRa 网关采集植物工厂内各栽架内的温度、湿度、光照强度、CO2浓度、土壤温湿度等环境参数，设计了一种基于LoRa 和组态软件的微型植物工厂智能监控系统。该系统主要实现的功能是：实时监测植物工厂内的环境参数；实时显示植物工厂执行机构的状态；在线设定温度、湿度等参数的上限下限值以及设备执行的延时时间；各参数的实时趋势图、历史趋势图；实时数据库、历史数据库报表的查询打印等功能；环境参数超出预定值报警及执行机构异常报警等。用户外出时可通过手机、电脑，或将其托管给服务器，远程管理微型植物工厂，一定程度上缓解了城市居民缺乏经验或时间管理微型植物工厂的问题[8]。

本系统采用ForceControl V7.0 版本的力控组态软件为上位机，西门子200smart、LoRa 网关为下位机，通过Modbus 通讯协议实现与网关通讯，将传感器采集的环境参数接收到监控系统中，通过RS485串口通信接口与下位机PLC 进行通信，进而根据控制决策通过输出接口对执行机构进行过程控制。本系统支持本地手动控制与远程Android 端与Web 端控制，本地通过工控机实现对植物工厂的实时控制。如图1 所示为系统框架图。

图1 温室蔬菜秸秆还田克服连作障碍关键技术具体路线

图1 系统框架图

2 系统硬件设计

LoRa 网关系统采用的是STC8A8K64S4A12 芯片，该芯片不需要外部复位和晶振电路，接入电源即可工作，提供IDEL 和STOP 两种低功耗模式，最低可降至0.1 μA 以下，拥有4 个串口，其中一个串口用于MCU 的程序下载使用，剩余3 个串口用于Lo-Ra 模块使用。如图2 为LoRa 网关采集模块电路原理图。

图2 LoRa 网关采集模块电路原理图

LoRa 模块选择的正点原子的ATK-LORA-01模块，该模块可支持透明传输和定向传输，其中透明传支持点对点传输、点对多传输和广播监听，模块工作频率410～441MHz，通讯距离≥3 000 m，无线速率19 200 bps（MAX），适用于远距离数据传输。ATK-LORA-01 模块如图3 所示。

图3 ATK-LORA-01 模块

考虑到植物工厂面积大、传感器安装位置等，将传感器设计成分体式，一共3 个监测节点，其中图4(a)为光照强度采集节点;图4(b)为CO2浓度采集节点；图4(c)为环境温湿度采集节点；图4(d)为Lora汇聚网关。

图4 温室环境监测系统硬件实物

3 组态软件设计

在组态软件中完成设备通信和I/O 数据库组态后，根据系统需求在组态软件中进行监控界面的开发，组态软件的监控界面是人机交互的重要媒介。力控软件为界面的开发提供了多样的图库，使得界面开发更加简单丰富。

在组态界面中，制作的功能主要有:用户管理、手自动控制、历史参数查询、实时趋势图、设备运行状态、故障报警、定时、控制策略编写等功能。组态软件监控界面如图5 所示。

图5 组态软件监控界面

4 系统调试运行

将网关通电，打开安装在工控机上的力控组态软件即可通过监控界面对植物工厂内的执行机构进行控制，同时实时显示当前微型植物工厂内的环境参数。现场操作人员可以通过上位机将温度、湿度的上下限值输入，电机自动运行即可。当微型植物工厂内的环境参数超出预定值时，控制系统将根据控制策略向PLC 发送控制指令，继而控制微型植物工厂内的执行机构，完成养护工作。

5 结 语

基于物联网技术，将本地传感器信息采集、无线传输网络、手机端应用软件和Web 端应用软件相结合，开发出了一套应用于微型植物工厂的远程智能监控系统。通过该系统用户可以远程实时查看微型植物工厂状态信息，即时干预控制;查看微型植物工厂的历史环境信息，分析作物的长势与环境信息的关系，为下一批次作物种植的环境优化调控提供参考;用户缺乏时间或经验管理微型植物工厂时，可以将其托管给专家或服务器代为管理。试验结果表明:在应用试验中各功能模块工作正常，作物长势良好，目前系统运行稳定，对操作人员的技能要求低，能够达到现场控制要求，便于家庭使用。