基于5G物联网技术的植物工厂环境精准控制系统设计与实现

　　第 1 章 绪论
　　1.1 研究背景与意义
　　植物工厂最早起源于日本，日本的研究是处于国际领先地位的，早在1982年三菱
　　公司就给出了温室番茄补光的试验报告，2017年日本部分地区开始试运营植物工厂[1]。
　　我国相关技术较之国外还是有差距的，但是国内发展速度非常快，踊跃出一大批专业
　　人才投入相关技术研究并取得了丰硕成果。当下，植物工厂已经成为了农业领域不可
　　分割的一部分，是科技与农业结合的新兴产物。为了解决日趋明显的人口、粮食、食
　　品健康问题，对植物工厂的研究刻不容缓。
　　5G技术，基本特征包括高速率、高容量、低时延、低功耗,作为新一代通信技术,
　　理论性能较之4G是有非常明显的提升的,单传输速度就是4G的几百倍[2]。但是5G在全
　　球范围内都不够成熟且成本偏高,也就无法大范围进行应用,植物工厂领域对5G的应用
　　更是少之又少,因此产品对5G的涉及具有一定的探路意义。
　　物联网技术是使各种数据、命令在网络上互通有无的新技术，实现万物互联。作
　　为新一代信息技术，在植物工厂设计中已经屡见不鲜，要想实现远程控制，远程管理，
　　必然依赖于物联网技术。因此将物联网技术与移动终端，自动控制相结合是具有可行
　　性的。
　　精准控制是植物工厂连续高效生产的必备要素。目前市面上最全面的植物工厂做
　　到了生长环境（包括土壤和空气）精准控制、水肥一体化高效率供给、LED光影响精
　　准把握[3,4]，但是成本也是难以估量的，大多数植物工厂只专注于其中一项或几项功能，
　　比如调光精度高的忽略了自动控制功能，实现环境自动调节的直接用卤素灯补光不能
　　调节光强，甚至有的植物工厂把功能分开成几个项目分别去设计[5,6]。由此可见植物工
　　厂低成本精准控制的研究具有重要推广意义。
　　基于以上因素，设计开发基于5G物联网技术的植物工厂环境精准控制系统具有一
　　定的理论意义和重要的实践价值。将各种新兴技术加以结合，可以拓展国内植物工厂
　　的发展方向，为植物工厂技术尚不成熟的国内市场添砖加瓦；所开发的系统也可以作
　　为商业产品，以其低成本、智能化、新颖的特点构建商业模式，推动相关行业发展。
　　1.2 研究现状
　　1.2.1 国外植物工厂现状
　　世界上第一座具有现实意义的植物工厂在丹麦建成，早期丹麦在植物工厂领域是
　　处于领军地位的，为植物工厂技术的探索和实践做出了卓越贡献，后来受到国家发展
　　和其他多方面影响被其他国家赶超。
　　日本最早提出植物工厂的概念，除了日本的大学、科研机构以外，各大商业巨头
　　都在布局植物工厂业务。日本的三菱公司是世界最早进行植物工厂试验的公司，正是
　　这样的企业巨头的推动，植物工厂刚在全球范围内火热的时候，日本就已经建成了各
　　种各样的植物工厂。1989年，日本政府针对本国耕地面积严重不足的情况，加大投资
　　持续建设了100座植物工厂。对建设植物工厂的企业和个人更是直接补贴50%以上，
　　曾经一度成为世界上已经建成植物工厂数量最多的国家。后来的松下公司更是整合多
　　种技术将植物工厂开在了我国大连[7]，目前日本植物工厂已经完全处于商业化发展阶
　　段了。
　　美国的植物工厂技术最开始是学习荷兰的，其农业公司利用货柜改装成植物工
　　厂，再利用LED光照进行辅助，很大程度的实现了作物增产[8]。在亚基塔尼约卢米德
　　兰都农场美国更是建成了世界上最大的植物工厂[9]。因为其科技力量强大，植物工厂
　　的无土栽培技术、LED光照技术率先被用在了空间站上，并取得了一定研究成果。
　　现如今国外植物工厂研究已经硕果颇丰，减少运行成本，提高空间利用率，植物
　　工厂转型将成为国外研究的热点。
　　1.2.2 国内植物工厂现状
　　相较于国外植物工厂市场的风生水起，国内市场稍稍滞后，因为这一投入还是比
　　较大的，成本较高。中国农科院环发所曾自主研发＂智能LED植物工厂＂，以其＂土
　　地利用和农作方式的颠覆性技术＂，在国家＂十二五＂科技创新成就展上亮相[10]。自
　　此突破植物工厂技术壁垒，植物工厂技术火速发展。2005年研制出LED植物工厂实验
　　系统, 2009年建成首例智能型植物工厂, 2010年上海世博会首次展出家庭LED植物工
　　厂, 2013年国家正式将＂智能化植物工厂生产技术研究＂项目列入＂863＂计划。我国
　　首先学习发达国家成熟先进的植物工厂技术，再结合我国国情以及地域特色独立研究
　　新技术，最终推广普及，仅仅用了几年的时间就完成了从实验阶段向示范阶段的跨越。
　　图1.1 集装箱蔬菜工厂
　　图1.1是安徽昂科丰光电科技有限公司为喀喇昆仑高原边防驻地研发的集装箱式
　　植物工厂，这是一套主要采用晶硅光伏板供电的系统[11]，用光伏发电驱动集装箱内的
　　植物照明灯，可以不受外界恶劣环境影响全天候生产蔬菜。但是它所选用的低功耗
　　LED光源并不具备高精度调节功能。
　　半导体显示企业京东方在植物工厂领域也有所建树。京东方在北京市大兴区庞各
　　庄建成的植物工厂具备了可调光、智能化、传感器自动感应蔬菜等多种功能[12]。产出
　　蔬菜也直供餐饮门店，但是该植物工厂造价不菲，并不适合小型企业使用。
　　国内植物工厂技术虽然发展迅速，但是智能化设备方向还是有所欠缺的，植物工
　　厂要求使用的设备精度高，稳定性好，符合要求的国产设备价格高昂，显然没办法大
　　面积推广。基于国内植物工厂发展现状，可以看出未来国内仍然要针对集成化、智能
　　化、实用化、专用化、节能化等方向加大对植物工厂的研究投入，种植植物要向经济
　　价值、研究价值较高的种类转变，要建立相关大数据模型，实现一体化自动控制。此
　　外不管是LED灯还是加温、除湿设备年耗电量都是极大的，能耗的降低也迫在眉睫。
　　在未来植物工厂技术发展上，摆脱对国外技术的模仿，建成真正属于自己的高水平植
　　物工厂是一个重要方向。
　　1.2.3 5G 物联网技术发展现状
　　5G 是新一代通信系统的重要组成部分,其关键技术包括多输入多输出技术、滤波
　　器组的多载波技术、同频同时全双工技术、超密集异构网络技术、自组织网络技术、
　　软件定义网络、内容分发网络[13]。我国已经在近几年将 5G 投入了商用,并开始大规模
　　建设基站,未来 5C 将成为移动通信、视频信息传输、物联网控制等领域不可或缺的一
　　部分。
　　物联网技术是推动农业现代化发展的基础技术。我国又是一个农业大国,可想而知
　　国家对农业物联网是高度重视的。目前农业的灌溉、施肥、环境监控、防虫害等各个
　　方面都在使用物联网技术了，但是在物联网的＂感知、传输、处理和应用＂等关键层
　　次上都还存在相应不足[14]。比如感知层面上的信息感知技术,目前常用的仍然是各种
　　类型的传感器，市面上普遍使用的传感器都有严格的环境条件限制，非可测条件内测
　　量精度和稳定性会大幅度降低，因此需要去研发高稳定性、低成本的传感器；传输层
　　面上的信息传输技术,可供选择的方式有很多，不管无线方式还是有线方式，通信的带
　　宽、速率都是主要突破点。
　　5G 与物联网技术相融合,改善最大的还是物联网网络层。因为其数据流量较之 4G
　　增长了 1000 倍，农业物联网领域需要组建大规模传感器网络，实现环境有效监控，
　　5G 技术为其提供保障,利用极快的传输速度和高稳定性保证大容量数据的实时获取，
　　不管是传感器信息采集还是视频信息传输都实现了及时性，需要场景建模也可以为建
　　模所需信息的获取提供保障。当然 5G 物联网的优势不局限于此，在其他方面也有着
　　明显进步。农业物联网需要对采集的数据进行集中、处理并做出相应动作，在 5G 技
　　术支持下，云计算和边缘计算应对物联网大量的数据计算会更得心应手。
　　1.3 发展前景
　　全球已建成植物工厂的分布是有一定特征的，日本、韩国主要是三菱、三星这样
　　的企业巨头技术垄断，而国内则是小型企业居多。中国植物工厂的研发至今已经有十
　　多年了，取得了丰硕的成果也有亟待解决的不足。试验箱形式的、家庭形式的、微型
　　的、商用的植物工厂发展良好，势头足。但是配套的技术装备很难有一个统一的标准，
　　在智能以及节能方面还有很长的路要走。目前国内植物工厂产业链已经初具规模，只
　　是还没有生产规模非常庞大的企业诞生。我国植物工厂产业市场因为疫情影响2020年
　　未达到200座植物工厂建成的预估[15]，但植物工厂仍然发展可观。恰当处理好各个环
　　境因子的耦合关系，就能极大的增产植株，让经济效益与总投入的比例逐渐加大，最
　　终花卉、蔬菜等品种栽培也被越来越多人接受。即使在诸多小型企业濒临倒闭的当下，
　　植物工厂仍然有属于自己的劲头，可见其前景十分诱人。
　　基于以上综述与分析，可以了解到。我国植物工厂在技术上，缺乏高集成度的智
　　能系统和高性能小型设备，且少有传感器网络数据处理系统；在产品上，多停留在理
　　论研究，单一功能研究，少有具备全面功能的实物实现；在商业上，工厂建设不足，
　　多为小型企业试水，少有大型工厂抢占市场。随着人口持续增加、耕地面积不足，水
　　资源供不应求，化学肥料导致土壤板结问题逐渐严重，植物工厂方面的研究确实势在
　　必行。本文将一个多功能、智能化、低成本的应用型产品具体实现，阐明产品的设计
　　方法、设计过程，测试产品的稳定性，记录实际使用中的各方面反馈。
　　1.4 主要研究内容
　　本文详细分析了设备选型依据，软件、硬件实现原理和测试过程。利用
　　STM32F103C8T6和STC8G2K64S4微控制器作为主控，中显组态屏作为界面显示器，
　　搭配物联网平台、微信小程序、5G技术组建了一个植物工厂环境精准控制系统。实现
　　了温度、湿度、光照、二氧化碳、土壤电导率、土壤酸碱性等多种传感器数据周期采
　　集上传，并由微信小程序、组态屏、物联网平台的实时监控页面随时查看；实现了设
　　备远程自动控制，并支持定时控制；实现了灯板红蓝光光照强度以及比例的调节。本
　　文主要研究内容如下：
　　（1）总体设计，包括需求性分析，控制策略。论证了植物工厂控制光照强度以
　　及其他环境参数的必要性、科学性，只有在适宜的环境下植物才能健康生长。分析了
　　光照普通控制、定时控制，设备普通控制、定时控制四种方式。
　　（2）硬件设计，包括主控单元、执行单元、设备控制器以及各种芯片、传感器、
　　执行设备。从芯片入手详述规格特征以及电路设计，搭配嵌入式程序，不同的模块实
　　现了不同的功能。
　　（3）软件设计，又分为嵌入式系统和物联网平台、微信小程序几个部分。其中第
　　嵌入式程序分为三个部分：主板主控程序、主板执行程序、设备控制器程序。物联网
　　平台和微信小程序是针对整套系统专门设计的，仅介绍各个功能使用方法，不赘述其
　　实现原理 。
　　（4）组态屏设计也分为硬件和软件设计。硬件部分仅需要选型合适并在主板上
　　留出8Pin的通讯、供电接口即可，软件部分需要用到专用的VGUS开发工具进行界面
　　规划，一个合理、高效、美观的组态屏设计能减小嵌入式程序的编写难度。
　　（5）系统测试，包括功能测试，老化测试和正式试用。一套成品的出现必然经
　　历了全方位的测试，利用精密仪器、设备对植物工厂环境精准控制系统进行测试，确
　　定其精确度以及稳定性。并在满足要求后投入部分地区进行试用，根据反馈情况来不
　　断完善系统。
　　第 2 章 环境精准控制系统总体设计
　　2.1 环境需求性分析
　　2.1.1 植物生长对光照的需求
　　众所周知，植物生长是离不开光照的，无论是太阳光源还是人工光源，光照条件
　　的质量都直接影响着植物生长状况。光照不足阻碍了植物叶绿素的形成，而叶绿素充
　　足又是光合作用的必要条件。
　　表 2.1 不同光谱范围光照对植物影响记录表
　　光谱范围（nm） 影响
　　280- 315 对植物形态与生理过程的影响极小
　　315 -400 叶绿素吸收少，影响光周期效应，阻止茎伸长
　　400 -520 叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大
　　520 -610 色素的吸收率不高
　　610- 720 叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响
　　720-1000 吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽
　　大于 1000 植物会将光合作用产生的能量转换成为热量
　　光源中不同光谱范围的光对植物生长影响也是差异较大的。根据表2.1数据，
　　400-520nm光（也就是蓝光）对植物光合作用影响最大；610-720nm光（也就是红光）
　　对光周期有显著影响。所以红光和蓝光被普遍认为是植物光形态形成的主要光谱[16]，
　　现代植物工厂内使用的植物灯大多都是选择了红蓝色LED，通过调节红蓝光比例给出
　　最适宜对应植物生长的人工光[17]。红蓝色LED将会成为未来植物工厂人工光源的发展
　　趋势。
　　2.1.2 植物生长对空气、土壤环境的需求
　　不同的环境条件对植物蒸腾作用、光合作用影响不同，例如湿度过高会导致植物
　　蒸腾作用减弱，体内水分淤积过多，因为植物对养分的吸收就是借助对水的吸收来实
　　现的，所以植物在湿度大的环境中就会缺少养分[18]；而湿度过低，叶面上的气孔会关
　　闭以保持水分，这时二氧化碳就无法通过气孔被植物吸收，进而影响光合作用，所以
　　植物在湿度低的环境中往往长得很矮小；土壤PH值不仅让有些不适合的植物难以正
　　常生长，还会造成病、虫害。例如杜鹃在碱性土壤中就无法生长，金龟子在碱性环境
　　下反而频频出现[19]，合适的土壤酸碱度是植株增产基本保障；环境温度对植物光合作
　　用、呼吸作用、养分吸收等各个生长环节都有显著影响，并且植物幼苗期和成熟期，
　　白天和晚上所需要的最适温度有所不同[20,21]，所以很多植物生长模型都是用温度条件
　　来做的。二氧化碳浓度对植物影响颇大，到达饱和点之前，光合作用会随着二氧化碳
　　浓度增加而增强，但是过高的二氧化碳浓度也会反过来抑制光合作用。所以对二氧化
　　碳浓度的控制是有必要的，一般植物工厂都将其维持在800ml/L左右[22]。
　　2.2 控制策略
　　2.2.1 光照控制策略
　　通过组态屏加减箭头或者手动输入框提前配置好红蓝光的比例和光照强度，每块
　　灯板的红蓝光都是独立的，可以设置为零到九十九任意一个级别[23]。执行后主板主控
　　单元传送命令到主板执行单元，通过PT4115驱动LED灯板。组态屏还能实现定时调光，
　　跳转到定时器页面后，红蓝色LED开关的定时时间分开设置，由主板主控单元进行保
　　存处理，等到实时时钟与定时时间相同时执行相应的操作，并且支持一键关闭所有定
　　时器的操作。光照传感器还会周期采集光照强度上传以备远程监测[24]。
　　2.2.2 设备控制策略
　　植物在培育过程中难免遇到不可预测的情况，通过监测环境数据进行环境变量的
　　自动控制就显得很必要了。在物联网平台设置触发器，规定动作的阈值范围，触发类
　　型包括数值高于X，数值低于Y，数值在X和Y之间，数值在X和Y之外等多种。当传
　　感器上传的数据不符合触发器要求时就会动作相应的设备，例如，湿度超限就会打开
　　风机，湿度恢复正常值就会关闭风机。自动控制虽然带来了便捷性，但是一套安全可
　　靠的产品必然还具备手动控制功能。底层硬件把每八个继电器看成一个传感器赋予一
　　个地址，利用地址的位偏移量进行对应，平台依据这些地址、偏移量添加设备，通过
　　点击开关控制设备状态。同时为了方便现场直接控制，组态屏上设计有对应设备按钮，
　　可以直接控制设备开闭，正反转电机更是能定时操作。
　　2.3 系统方案
　　2.3.1 总体设计
　　系统结构图如图2.1，设计整体是基于STM32实现的，程序通过不同优先级实现
　　嵌套中断。因为需要现场控制，屏幕下发指令为最高优先级。
　　图2.1 系统结构图
　　一次性调光指令：直接依据协议发送到主板执行单元，由执行单元核心单片机处
　　理后调节LED灯板亮度；
　　定时调光指令：存储定时时间与实时时钟比较，相同时打开LED灯板，LED亮度
　　同最后一次调节的亮度；
　　设备控制指令：需要由执行单元单片机转发，通过485通讯接口发送至设备控制
　　器，由设备控制器依据协议进行处理，打开相应的继电器；
　　传感器查询指令：经由执行单元转发出去，传感器应答也由执行单元转发接收；
　　网络控制指令为次优先级，物联网平台下发指令，可以实现设备控制[25]，打开设
　　备的同时也会更新屏幕上的设备开关状态，保证物联网平台与组态屏之间的同步。微
　　信小程序端通过云函数从物联网平台提取环境参数，同步显示。同时设备支持掉电保
　　存，重新上电后能恢复掉电前光照强度，定时操作也不必重设。
　　2.3.2 相关工作
　　（1）数据采集
　　基于STM32实现传感器数据的定时采集，主要包括温度，湿度，光照，PH值，
　　EC值，二氧化碳浓度等影响植物生长的参数。使用的传感器精度都在3%-5%，遵循
　　标准MODBUS协议，防水等级达到IP65，部分甚至达到IP68。
　　（2）PWM调光技术
　　采用了传统的PWM调光技术，基于STC8G2K64S4单片机予以实现，通过实际试
　　验得到最佳频率，控制灯板100级调光[26-29]，程序内部保留千级调光接口。
　　（3）网络传输技术
　　依据对应物联网平台的智能项目协议，在以太网模块的基础上，数据经由5G上传
　　至平台，平台控制指令也由5G下达。可以减小地形限制，减小网速影响，室外不易建
　　立网络的地方也同样适用。
　　（4）物联网控制
　　使用物联网平台远程控制现场设备开闭，支持下发检测，对于没有成功动作的设
　　备，向物联网平台应答，复位没有得到协议规定格式响应的平台设备开关。物联网平
　　台还可以设置报警阀值，可选是否引发设备动作，实现自动控制。通过添加视频设备，
　　平台还可以实时监控和视频回放[30-34]。
　　（5）微信小程序
　　搭建微信小程序平台，支持手机查看各种传感器数据。
　　植物工厂环境精准控制系统的主体功能仍然是LED调光，5G技术和精准控制为其
　　增色。不管是高校，科研机构的植物实验，农业大棚植物栽培，还是海防、高原蔬菜
　　种植，该产品都能适用，智能化程度高，可以降低成本，提高产出。具备一定的自动
　　化控制能力，拥有一定商业价值。
　　第 3 章 系统硬件设计
　　3.1 主板主控单元
　　主控单元是植物工厂环境精准控制系统硬件部分的核心，其内部程序负责统筹整
　　个系统各个版块协调运行，硬件主要包括电源部分、最小系统、实时时钟以及互联网
　　模块。
　　3.1.1 最小系统
　　主控单元的微控制器是整块板最核心的部位，其选型将会影响整块板子的PCB布
　　局和程序设计。综合成本、功耗、性能等方面的要求，选择了STM32F103C8T6，该
　　芯片具有64K的FLASH，20K的SRAM[35]，其串口资源其实是不满足要求的，但是主
　　板还有执行单元，利用执行单元做了转发设计，节省了一个串口，毕竟大容量产品与
　　STM32F103C8T6价格相差甚远，采取这样的设计降低了成本，使板载芯片资源得到
　　充分利用。
　　图3.1 微控制器电路原理图
　　STM32F103C8T6外围电路包括电源电路、复位电路、晶振电路、下载电路，如
　　图3.1，其中晶振电路舍弃了外部低速晶振，仅使用了8M贴片晶振，因为此次设计没
　　有用到RTC功能，遵循常规电路添加32.768K的晶振是资源浪费；下载电路仅引出SW
　　模式的引脚，不兼备JTAG下载，节省引脚资源。芯片输入电压在2.0-3.6V之间，这里
　　采用常规的3.3V输入。从AMS1117直接引出稳定的电压供主控芯片工作。
　　3.1.2 电源部分
　　为了匹配LED灯板对电压的要求，主板设计有24V和36V两种输入，36V仅对LED
　　灯板供电，24V需要经过降压给整块板子供电。降压芯片选择的是EUP3484，最高可
　　以输出3A的电流，耐压值在4.5V到35V之间，输出电压在0.925到20伏之间，其效率高
　　达95%，外围电路简单，如图3.2，查阅设计手册给的公式以及推荐电阻值即可直接计
　　算出分压电阻的阻值，芯片关断时稳压器仅消耗1uA的电源电流，并且芯片具备过压、
　　过温、过流、欠压等多种保护措施。
　　图3.2 EUP3484电路原理图
　　经过EUP3484输出的电压为5.0V，还要再次降压才能被主控芯片使用，利用
　　AMS1117实现此功能，AMS1117最大输出电流为1A，输出电压分多个版本，这里使
　　用的是输出3.3V的版本，该芯片内部集成有过载、过流保护，具备限流电路，非常适
　　合给核心芯片供电。为了保证输出的稳定性，输出的电路设计上连接了钽电容，电路
　　图如图3.3。
　　图3.3 AMS1117电路原理图
　　3.1.3 实时时钟
　　实时时钟芯片选择DS1307，该芯片具备体积小、低功耗、稳定运行等特点，使用
　　IIC接口对数据进行读取、写入，7脚提供方波输出，可以接LED灯，通过1Hz方波实
　　现闪烁，方便判断系统是否正常运行。每块灯板的定时开关都离不开DS1307，所以
　　实时时钟的精确度是有要求的，从实际项目经验得出结论，在有效的应用电路支持下，
　　DS1307比DS1302更加精确，实际测试一个月时间，DS1307误差不超过3S，是能够满
　　足要求的，图3.4为DS1307电路原理图[36,37]。
　　图3.4 DS1307电路原理图
　　3.1.4 互联网模块
　　USR-K6是一款体积很小的模块，搭载 ARM 公司的 Cortex-M0 处理器，能够实
　　现串口到以太网口数据的双向透明传输，其宽度等于普通RJ45座，长度不足4.5厘米；
　　功耗低，全速工作电流也仅为165mA，正常工作电流在136mA，工作电压在3.0到3.6V
　　之间；操作简单，兼容性强，仅需要进行一系列AT指令设置即可使用；功能全面，工
　　作模式可选择TCP服务器、TCP客户端、UDP、Httpd Client，支持自定义心跳包，可
　　以自主保持与平台的连接，出厂烧写了全球唯一MAC，方便使用网络协议的方式更
　　改参数，本次设计配置软件部分就可以进行UDP广播配置参数，因为网络指令可以实
　　现复位功能，所以板载模块没有外接贴片按键，图3.5左右分别是USR-K6模块原理图
　　和实物图。
　　图3.5 USR-K6模块
　　3.2 主板执行单元
　　主板执行单元起到转发和动作执行的作用，数据监测，设备开闭，都避不开执行
　　单元的总体控制。
　　3.2.1 核心
　　核心芯片选择了STC8G2K64S4,该系列单片机宽电压、低功耗、具有抗强干扰的
　　能力，兼容传统8051但是比8051快12倍左右，拥有64K的FLASH存储，45 组 15 位
　　增强型 PWM，29个中断源，4级中断优先级，工作温度在-40到85摄氏度。用户可以
　　用STC烧录软件自行选择EEPROM的大小，输入用户程序时用到的IRC频率也支持ISP
　　软件设置。可以单芯片仿真，不需要仿真器，功能特性上完全满足了此次产品需要。
　　值得一提的是该芯片外围电路十分简单，如图3.6，仅把串口1当做下载口，复位引脚
　　连接贴片按键，就能正常使用了。
　　图3.6 执行单元核心原理图
　　3.2.2 LED 驱动
　　LED驱动芯片选择的是30V/1.2A高调光比恒流驱动器PT4115。PT4115输入电压范
　　围大（6V到30V），输出电流可调且较大（最大可达1.2A）。外围电路简单，驱动能
　　力强，能带动数十瓦的LED[38-40]。
　　输出到LED上的平均电流计算：
　　Rs XRs
　　out1.0
　　2
　　115.0085.0I   （3.1）
　　Rs：电流采样电阻。
　　实际电路板设计选用了两个0.2Ω电阻并联以及47uh的电感，如图3.7。
　　因为最大只有1.2A的输出，驱动LED灯板时芯片会发热，所以本次设计采用两个
　　PT4115并联的方式，这也造成了电路板整体偏大，需要主板和副板一起控制。后期在
　　产品的升级考虑中发现了SL6025，这款芯片最大输出电流达到1.5A，效率高达96%，
　　使用这款芯片就能摒弃并联PT4115的方式，将产品体积缩减。
　　图3.7 LED驱动原理图
　　3.2.3 MAX485
　　设备查询、控制指令都是由执行单元转发经过485口完成的。执行单元供电电压
　　是5V，为了与之匹配选择了MAX485芯片。这款芯片输出是差分输出，传输速率能达
　　到10Mbps，输入是差分输入，完全满足RS-485串行通讯协议的要求[41-44]。采用DIP封
　　装，体积小，方便PCB布局，同时合理的终端电阻的选择，让其能带动多个从设备。
　　电路原理图如图3.8。
　　图3.8 MAX485电路原理图
　　3.3 设备控制器
　　LTV-847光耦是一种光电耦合器，具备4通道，要想在一个设备控制器上实现8路
　　状态开关和8个继电器控制只需要4个LTV-847即可实现。该光耦内部是通过发光器件
　　和光敏器件组合完成控制的，图3.9展示了光耦实现原理，1到2导通发光二极管发光，
　　光敏三极管受光耦合也导通，实现了电到光、光到电的转换。图3.10为光耦整体控制
　　设备原理图。
　　图3.9 光耦原理
　　图3.10 设备控制器光耦控制
　　3.4 传感器
　　3.4.1 CO2 传感器
　　二氧化碳浓度的监测选用CO2传感器，如图3.11，该产品探测精度能达到正负
　　40ppm，宽电压输入，二氧化碳的测量范围为400-5000ppm，自带温度补偿功能，10
　　分钟即可达到最大测量精度，整体尺寸仅为110X85X44mm，可以应用于室内、室外
　　各种环境。
　　3.4.2 土壤 PH 变送器
　　土壤酸碱度监测选用了土壤PH变送器，如图3.12，尺寸小，功耗低，24V供电时
　　功耗仅为0.5W。分辨率能达到0.1，稳定性强，年最大偏差5%，探针使用了防腐特制
　　电极，密封材料是黑色阻燃环氧树脂。测量区域为与探针等高的圆柱体，支持多种测
　　量方式：速测只需避开石块，紧握传感器垂直插入土壤；埋地测量需要垂直挖一个直
　　径大于20厘米的基坑，将传感器水平插入坑壁再掩埋。由于传感器防护等级达到了
　　IP68，可以在一定压力下长时间浸水，足以应对土壤蓄水问题。
　　图3.11 二氧化碳传感器
　　图3.12 土壤PH变送器
　　3.4.3 电导率温度水分三合一变送器
　　土壤温度、水分、EC值的监测选用了电导率温度水分三合一变送器，如图3.13。
　　该传感器24V供电时最大功耗为0.7W，电导率量程为0-20000us/cm,分辨率能达到
　　10us/cm，土壤水分参数量程0-100%，分辨率1%，土壤温度参数量程是-40到80摄氏度，
　　分辨率0.1，由于电极直接测定土壤中可溶盐离子的电导率，因此想要测量的准确性最
　　大化，土壤水分至少在20%。需要速测的话，可以先浇水，土壤浸透后再测量。电导
　　率温度水分三合一变送器适用于土壤墒情、精细农业、植物培养等各种场合，是观测
　　和研究盐渍土的发生、演变、改良以及水盐动态的重要工具。
　　图3.13 电导率温度水分三合一变送器
　　图3.14 叶面温湿度传感器
　　3.4.4 叶面温湿度传感器
　　叶面温湿度的监测选用了叶面温湿度传感器，如图3.14。该传感器探头灵敏度高、
　　信号稳定、测量范围宽、线性度好，温度分辨率能达到0.01，悬挂在植物上方离地面1
　　米以上的高度能准确检测出叶片上介电常数的变化。
　　植物生长依赖于光合作用，光合作用必然离不开叶面的气孔，气孔开闭状态受到
　　叶面温湿度影响，可见叶面温湿度是能够反映真实叶面生长情况的，通过对叶面温湿
　　度精准测量，实现对植物叶片生长环境的监测，进而达到预防病虫害的作用。
　　3.5 执行设备
　　3.5.1 执行机构
　　继电器控制的设备包括加热板、轴流风机、密闭门窗、补光灯、喷淋机构、二氧
　　化碳发生器、水肥一体机等等，可以根据需要自行增减类型和数量,表3.1对部分设备
　　额定电压和功能做了简要介绍。
　　表3.1 执行机构简要描述
　　名称 数量 额定电压 功能描述
　　加热板 3 AC220 升温设备
　　风机 4 AC380 空气循环、除湿
　　二氧化碳发生器 1 AC220 加 CO2
　　补光灯 2 AC220 增加光照
　　水肥一体机 1 AC220 合理施肥浇灌
　　喷淋机构 6 AC220 自动浇水
　　加热板采用铸铝加热盘，220V供电，功率偏差值仅在5%-10%，用来快速调节温
　　室植物架附近温度；二氧化碳发生器采用钢瓶形式的，原料包括柠檬酸、小苏打和水，
　　二氧化碳浓度大小直接影响植物光合作用。
　　3.5.2 灯板
　　为了确定不同光照强度对植物生长是否有影响，河南农业大学任旭妍等人在科教
　　园区植物工厂对紫罗莎生菜进行了不同光照强度照射实验。将红蓝光比值设定为1：1，
　　光 照 强 度 分 别 为 50 μ mol/(m2 · s)(RB50) 、 100 μ mol/(m2 · s)(RB100) 、 150 μ
　　mol/(m2·s)(RB150)和200μmol/(m2·s)(RB200)，其余植物生长必备环境因素：温度、
　　湿度、CO2浓度、EC值、PH值等都固定为适宜值。定制后15，20，25，30天在不同
　　光照下每组随机抽取3株生菜量测株高、茎粗、叶片数以及其他待测项[45-51]，30天后
　　采收。得到如表3.2数据。
　　表3.2 不同光照强度对紫罗莎生菜生长的影响
　　处理 株高/mm 茎粗/mm 叶片数 鲜质量/g 干质量/g
　　Treatment Plant height Stem diameter Leaf number Fresh weight Dry weight
　　RB50 115.84 2.89a 1.52 0.11c 6.00 0.17b 7.64 0.68c 0.31 0.45c
　　RB100 97.93 4.20b 2.49 0.01b 6.67 0.17a 15.84 1.17b 0.69 0.13b
　　RB150 111.63 1.19a 3.42 0.12a 7.00 0.17a 38.49 0.62a 2.49 0.66a
　　RB200 94.12 0.49b 2.75 0.04b 6.67 0.17a 18.87 0.85b 0.88 0.34b
　　注：μmol/(m2·s)是光合有效辐射单位，在白天的太阳光源下，1KLux 18 μ
　　mol/(m2·s)
　　从表中直观的就能看出RB200与RB50条件下植物生长状况有明显差异，株高相差
　　21mm，茎粗相差1.23mm。任旭妍等利用百分之一的电子天平、分光光度计法、
　　LI-6400XT便携式光合仪进行测量更是得出结果：RB150光照下，紫叶生菜的类胡罗
　　卜素含量最高，RB200光照下叶内可溶性蛋白含量相较于其他条件有所增强。由此证
　　明不同光强对植物生长有显著影响。所以本次设计灯板100级调光是有科学依据的。
　　产品所用灯板的1W红色LED数量为50个，1W蓝色LED数量也是50个。红蓝色LED
　　都是10个一组串联，总共5组并联组成的一块100W的灯板，如图3.15。一共10块灯板，
　　分主从机两部分控制。主机上嵌入STM32核心系统，实现总体控制，并利用
　　STC8G2K64S4单片机进行具体控制以及转发命令。从机仅留有控制部分，目的在于
　　简化主控板设计，且方便灯板安装在不同位置。
　　3.5.3 5G
　　5G选择了巴龙5000芯片，该芯片支持NSA非独立组网和SA独立组网，2G、3G、
　　4G、5G全频段兼容，下行速率高达2G，上行速率也有230Mbps，主要接口包括GPIO，
　　USB，JTAG，UART，I2C，I2S等等，在本次设计中仅使用了5G的路由功能，是一次
　　产品简单应用。直接购买PCIE接口的MH5000-31模块，进行一系列AT指令配置，比
　　如查询卡状态、信号强度、激活PDP上下文（分组数据业务）等等，如果需要上传数
　　据到平台，就将网络数据进行一系列处理，经过USB3.0口传到配置过的5G模块内，
　　由模块自动发送出去。实际测试5G的使用确实让产品更加稳定，因为5G速度更快，
　　保证下发指令及时，即使单片机端遇到了失败重发的情况，也不会等到平台开关复位
　　了才成功上传。
　　图3.16为所使用的5G通讯模块，双电源供电，MH5000-31采用9V供电接口，底板
　　采用12V供电接口，底板内部使用DSP技术处理数据，速度更快，极大的减小了5G速
　　度的丢失。默认情况下模组的SA网络是关闭的需要通过对应的AT指令重新设置为：
　　支持 NR 接入网以 SA 工作、仅仅支持 ENDC、仅仅允许 NR 接入 5gc，来改变5G
　　的接入模式。配置过后重启模组，利用AT^SYSCFGEX指令设置扩展模式。最后查询
　　当前注册状态，调试信息输出NR-5GC 的时候，说明 SA 网络已经打开。
　　图3.15 灯板示意图
　　图3.16 5G模块
　　图3.17 组态屏
　　3.6 组态屏
　　武汉中显科技的 VGUS 组态屏 SDWa070S53C，如图 3.17，能提供 800X480 的分
　　辨率，显示色彩是 64K 真彩色，300 流明屏幕亮度，类型为 LED，通过软件实现亮
　　度 100 级可调，背光关闭时供电电流仅需 160mA。触摸是否伴音蜂鸣器可选择，支持
　　矩阵键盘、音频、视频播放功能，软件端可以开启虚拟串口屏，不使用硬件也可进行
　　仿真调试。拥有 8M 字节的存储空间，可以存储 jpg 格式图片多达 128 张，图片命名
　　简单，无需与 Flash 块编号对应，也无需进行繁琐的手工分配 Flash 块操作。单页可
　　以显示 128 个显示变量。支持脱机下载，实际使用时用 U 盘保存 VGUS 软件设计的
　　工程直接下载即可，不受地形限制。软件设计屏幕还可以不同角度旋转，满足不同视
　　觉需求、安装需求。同时该组态屏大部分靠变量驱动，显示的字符、图标、输入框、
　　返回按键等都能定义成变量，对工程师友好，只需要提前做好变量设计，合理分配变
　　量存储地址以及变量类型就能大大缩短完成项目所需时间。
　　第 4 章 系统软件设计
　　4.1 主板主控程序
　　4.1.1 初始化
　　图4.1 初始化流程图
　　软件进行一系列初始化以后读内部 flash，若是第一次烧录程序，读出数据都是十
　　六进制的 0xFF，需要写入密码、初始化时钟和配置通讯信息。重新写入密码作为初
　　始密码保存在 FLASH 中，搭配组态屏实现系统登录；初始化时钟就是初始化 DS1307
　　实时时钟芯片，写入一组默认值，再通过组态屏进行时间的调整。配置通讯信息是对
　　各种传感器、设备控制器、物联网平台设备号进行记录。利用这些信息连接平台，识
　　别设备。若已经烧录过程序，是因为复位或者掉电重新上电导致了重启，则跳过以上
　　步骤，直接读取掉电前保存的组态屏数值，将屏上数据恢复到掉电前。如果没有开启
　　定时调光，会重新恢复掉电前光照情况；开启了定时调光，则只恢复定时功能，不会
　　立即打开 LED 灯板。随后程序进入 while 循环等待定时器打断，整个流程见图 4.1。
　　4.1.2 掉电恢复
　　图4.2 掉电恢复状态流程图
　　由于继电器无论是打开还是关闭状态，系统掉电后都会变为关闭状态。而平台是
　　不具备设备离线自动复位功能的，所以，如果原本继电器已经打开，平台信息更新，
　　掉电后，平台还是显示设备已打开，造成信息不同步的问题，掉电恢复就是为了解决
　　这个问题，初始化以后先根据软件配置信息找到继电器的地址，利用地址查询设备控
　　制器挂接的继电器状态，并将开关情况上传平台、上传组态屏，使信息同步。具体过
　　程如图 4.2。
　　4.1.3 串口接收
　　（1）串口1
　　图 4.3 串口 1 接收
　　电路设计中串口 1 与 K6 模块连接，可以接收网络数据，根据协议判断首位数据
　　为字符‘S’以后开始接收，如果接收数据位数超过了 10 位判定指令是错误的，将其
　　舍弃，如果接收到正确结尾码‘E’，置位标志位 control1.config_analysis，等待处理
　　函数进行处理,如图 4.3。
　　（2）串口2
　　串口 2 能够与组态屏通讯。组态屏下达的所有指令都要通过串口 2 识别、保存、
　　处理。组态屏本身具有协议头设置以及 CRC 校验开启功能，串口 2 就是利用这个功
　　能每次接收到了固定的协议头就开始保存数据，接收到可计算的协议尾就停止接收。
　　输入密码、重建密码、实时时钟更新、定时时间查询、普通调光指令、定时调光指令、
　　设备普通控制指令、设备定时控制指令都是在此版块进行保存的。部分需要其他外设
　　参与的指令仅置位了标志位，有时限要求的指令则直接处理，比如密码登录，组态屏
　　下传带有密码信息的指令以后，立即判断处理，根据处理情况显示不同的现象。图 4.4
　　是串口 2 接收流程图。
　　·
　　图4.4 串口2接收阜阳师范大学硕士学位论文
　　29
　　（3）串口3
　　串口 3 比较复杂，连接到了主板执行单元，所有的设备控制器、传感器、软件配
　　置信息都是在此版块被接收的。设备控制器、传感器地址可变、数量可增导致数据量
　　庞大，程序灵活性要求高。程序根据配置协议和其他命令首字节不同、校验码不同对
　　指令进行甄别并保存到特定数组中。对于软件配置信息应以字符＂$＂开头，＂#＂结
　　尾，接收完成后置位标志位，等待定时器 4 的中断服务函数进行处理。对于设备控制
　　器查询、控制指令，传感器查询指令，发送的命令首字节和接收信息的首字节应具有
　　相同的地址信息，据此进行判断处理。值得一提的是，串口 3 不会直接发送、接收信
　　息，需要通过主板执行单元进行转发，搭配主板执行程序使用，节省了一个串口资源，
　　降低成本。
　　4.1.4 定时器
　　（1）TIM2功能
　　定时器 2 定时时间为 200 毫秒，每次进入中断后先利用软件模拟 IIC 总线读取
　　DS1307 实时时钟芯片的年、月、日、时、分、秒信息并保存，判断秒信息是否有更
　　新，如果有更新则将更新后的数据通过串口发送到组态屏。每次秒中断，标志位 heart
　　都要自增 1，等待 heart 等于 100 即 20 秒定时时间到了发送心跳包，保持与平台的连
　　接，并将 heart 标志位复位，具体流程如图 4.5。
　　（2）TIM3功能
　　定时器 3 定时时间为 30 秒，并进入采集动作函数。采集动作中需要先解析软件配
　　置信息，得到每个传感器的对应地址，针对地址修改查询数据的命令，目前支持温湿
　　度、土壤 PH 值、二氧化碳、土壤水分温度电导率等多种类型传感器数据查询，反馈
　　信息由串口 3 接收。对于组态屏上需要显示的信息，上传动作分为两次，一次用于组
　　态屏数据监测页面数据更新，另一次用于物联网平台设备监控页面数据更新。对于组
　　态屏无要求的环境数据仅上传平台即可。具体流程如图 4.6。
　　图4.5 TIM2流程图
　　图4.6 TIM3流程图
　　（3）TIM4 功能
　　定时器 4 设置为 10ms 中断一次，每 10ms 去判断一次有没有接收到平台指令并
　　对其进行解析处理。具体流程图见图 4.7。
　　图4.7 TIM4流程图
　　当 is_relay_sdwa_analysising（）函数返回值为 1 时，判断并处理组态屏下传指令，
　　包括电机普通控制指令、正反转电机普通及定时控制指令。因为电机是由继电器模组
　　驱动的，而继电器模组是挂接在设备控制器下的，设备控制器需要根据本身保存的软
　　件配置地址进行区分，也就意味着除了组态屏固定的继电器开关外，物理网平台还能
　　添加更多的继电器开关；
　　当调光指令的标志位被置位时可以直接调节灯板亮度，也可以定时调节。
　　当 is_config_analysising()函数返回值为 1 并且定时时间到了 30ms，程序会去处理
　　软件输入的配置指令，解析出地址信息和同步头信息。
　　4.2 主板执行程序
　　主板执行单元采用STC8G2K64S4单片机作为控制器，能够完成命令转发、调光
　　生效等功能。其串口4连接到主控单元，中断标志位置位以后，依据协议进行命令种
　　类判断，如果是调光指令，直接解析出调光等级，换算成PWM脉冲宽度调节所需要
　　的占空比[52]，调节引脚输出电压，进而调节LED灯板亮度。如果是需要转发的命令，
　　执行单元接收结束后就由串口2发送出去，设备反馈信息被串口2接收，校验通过再利
　　用串口4回馈给主控单元。对于转发的指令不需要延时，因为发送源头发送数据本身
　　就有间隔，转发动作越快越稳定。对于调光指令是要有延时的，因为两次动作过快可
　　能会导致电流激增。
　　4.3 设备控制器程序
　　设备控制器是单独设计的，具备高效、稳定、体积小、支持软件配置等特点。采
　　用STC8G2K64S4作为核心，能够实现软件配置地址、状态查询、设备控制功能，串
　　口2中断服务函数是这些功能的中枢。核心单片机处理主板执行单元传过来的控制指
　　令和查询指令，控制继电器动作，检测状态开关状态并给予主板应答。一个设备控制
　　器拥有8路继电器和8路状态开关，依据地址进行区分。挂接数量取决于485的最大挂
　　接节点数，满足绝大多数继电器控制需求。
　　软件配置信息被设备控制器接收并判断正确以后，立即将信息中的状态开关地址
　　和继电器部分地址写入EEPROM保存，并软件复位设备，蜂鸣器响一声代表复位结束。
　　状态查询、设备控制的甄别就是利用写入EEPROM的地址和MODBUS功能码实现的，
　　查询指令查询单片机引脚的高低电平，控制指令控制引脚输出高低电平。不管是查询
　　还是控制都需要根据协议给主板执行单元应答。设备控制器本身并不具备失败重发机
　　制，给它下达的指令都伴随着反馈信息，通过这个反馈信息主板主控单元能够失败重
　　发指令，超过三次判定此次下发出错复位下发源。
　　4.4 协议设计
　　为了整套系统能够安全稳定的运行，提前规定好协议是必须的。植物工厂环境精
　　准控制系统通讯协议分为三种，分别用于软件配置、指令传输、网络传输。以下为协
　　议具体分析情况：
　　4.4.1 软件配置
　　主板主控单元接收一串字符格式的指令，指令头是＂$＂，尾是＂#＂，中间包含
　　同步头，地址码等具体信息，以逗号隔开。
　　设备控制器接收一串共5个字节的十六进制数据，数据头是两个0xEE，数据尾是
　　0xEC，中间部分是状态开关地址、继电器地址。
　　支持标准MODBUS协议的传感器都需要配置自己唯一的地址。当有特定需求时，
　　可能因为各种传感器需要的数量不同，安装位置不同，导致地址也有特定要求，这就
　　需要核心程序支持地址配置。此次设计，固定了组态屏用到的部分传感器地址，减小
　　编程难度，其余地址均可软件配置，增加了灵活性，依据用户喜好自由配置。
　　4.4.2 指令传输
　　（1）设备状态查询指令
　　发送：0F 03 00 00 00 01 85 24
　　接收：0F 03 02 00 07 90 47
　　注：03是读取寄存器值的MODBUS功能码，0F是地址。
　　（2）继电器状态查询指令
　　发送：0F 07 00 00 00 01 74 E4
　　接收：0F 07 00 00 00 FF F5 64
　　（3）调光指令
　　发送：FB 63 01 E9 01 FA FE
　　接收：FB 63 01 E9 01 FA FE
　　注：63是调光等级信息，01是灯板号。
　　4.4.3 网络传输
　　网络传输协议是物联网平台选择项目通讯协议给出的，不同的选择有不同的标
　　准，植物工厂环境精准控制系统用到了平台的项目智能协议，指令都是字符格式，以
　　＂S＂开头，＂E＂结尾，中间填充设备号和寄存器地址偏移量，分别用冒号，星号隔
　　开。
　　4.5 物联网平台
　　4.5.1 平台概述
　　物联网平台使用的是植物工厂环境精准控制平台，这是一套面向通用型业务数据
　　处理，JAVA语言编写，部署在阿里云ECS云服务器上的系统平台，系统包含传感器协
　　议处理服务、Lpro服务平台和MQTT Broker。传感器协议处理服务主要监听TCP端口，
　　接收设备发送的数据协议，转化为系统内的数据，然后通过接口和平台进行通讯；Lpro
　　服务平台是整套系统核心枢纽，主要对外提供REST风格的接口；MQTT Broker主要
　　统筹各种设备协议。系统整体架构如图4.8。
　　图4.8 系统架构
　　4.5.2 使用到的功能
　　（1） 系统管理
　　系统管理包含用户列表、项目列表、系统参数、数据字典、微信菜单等多个版块。
　　本次设计中用到次数比较多的是数据字典，如图4.9，可以通过数据字典添加传感器类
　　型、传感器单位和对应图标，在添加设备时就需要用到这些信息。
　　图4.9 数据字典
　　（2） 设备管理
　　设备管理包含设备信息和视频信息两大部分。在设备信息页面可以依据项目添加
　　设备，如图4.10，
　　图4.10 新增设备
　　这里的设备号就是网络通讯协议中的同步头，应该是具有识别度的一串字符，数
　　据协议默认为项目智能协议。在设备添加完成后还要进行传感器的添加，根据所选择
　　的传感器实物信息输入传感点名称、地址号、寄存器号、数值类型、单位、公式，如
　　图4.11.
　　在视频信息页面操作就比较简单了，添加摄像头，摄像头采集的信息通过萤石云
　　转发即可在平台显示。
　　图4.11 新增传感器
　　（3） 触发器管理
　　系统实现自动运行监测控制需要针对传感器上传的数据，自动开闭相应设备。此
　　功能是通过在平台添加触发器实现的,添加信息界面可以设置设备自动控制的阀值。有
　　数值高于某值，数值低于某值，数值在两个值之间，数值等于某个固定值，数值超过
　　某个值高于多少分钟，或者低于多少分钟等不同触发类型,如图4.12,开启报警恢复触发
　　以后,传感器数值恢复正常范围还能复位设备状态。触发器动作会伴随着报警信息产
　　生，如图4.13，只有设置为已读状态才能将处理标志清空。
　　图4.12 添加触发器
　　图4.13 触发信息
　　（4） 实时监控
　　最常用的功能就是实时监控，包括设备监控、列表监控、视屏监控，如图4.14，
　　图4.14 实时监控
　　在设备监控页面能够查看各种传感器信息、继电器状态、状态开关状态，其排列
　　顺序都是根据设备管理页面的地址设置来的。继电器的数值类型设为了开关类型，支
　　持手动打开、关闭，只有当嵌入式程序给了应答才会确认状态，如图4.15。列表监控、
　　视频监控仅能查看项目信息、视频信息，不能操作。
　　图4.15 设备监控
　　4.6 微信小程序
　　微信小程序提供独立的云开发环境，它是一种无服务端架构，可以在小程序端直
　　接调用写好的云函数，同时提供了云数据库和对象存储的能力，这样就免去了租用服
　　务器和自己架构后台同时开发接口的麻烦。因为是一体化的架构，也免去了登录的烦
　　恼。但为配合物联网云平台的使用，在这里仅仅使用它的云函数功能。
　　通过云平台实时监控数据跟微信小程序的数据进行对比，验证其数据的真实可靠
　　性。如图4.16所示。
　　图4.16 微信小程序数据对比图
　　4.7 组态屏界面设计
　　4.7.1 功能需求
　　组态屏由电脑端通过武汉中显科技的VGUS2019开发工具进行开发。先用
　　Photoshop或者WPS软件的PPT功能做出精美界面，再将这些界面用开发工具打开并添
　　加触控控件、显示控件、寄存器，以提供一个友好，功能全面的控制窗口。组态屏功
　　能方面分为系统登录与退出、数据监测、灯板控制、设备控制、定时器等部分。系统
　　登录是为了防止无关人员误触，每次登录都需要输入正确密码，用户可以根据需要自
　　行创建6位数新密码；数据监测是将各种必要环境参数在组态屏上显示，比如空气温
　　湿度、土壤温湿度，光照强度、土壤电导率，土壤酸碱度等等，而气象相关数据只有
　　特定场合才需要，就不必固定在组态屏上了；灯板控制需要手动调节光照强度级别，
　　通过生效操作发送指令让LED灯板亮度改变；设备控制是在组态屏上固定了10路普通
　　电机开关，3路正反转电机开关，通过控制24V的继电器来开闭相应设备；定时器是针
　　对LED灯板而言的，设定时间后，嵌入式程序会与实时时钟对比，从DS1307读取的数
　　据和定时时间相同时自动打开或者关闭灯板。整体功能如图4.17。
　　图4.17 组态屏功能框图
　　4.7.2 VGUS 软件简介
　　现今工业上使用的组态屏大多都配有自己厂家专门设计的开发软件。SDWa070S5
　　系列组态屏也一样，使用武汉中显科技开发的VGUS软件进行设计。这款工具免安装，
　　支持Windows XP、Win7、Win8 和 Win10 操作系统，win8和win10需要设置兼容性
　　运行。功能强大，摒弃直接操作配置文件的繁琐功能，直接进行图形用户界面设计，
　　一站式管理，软件菜单栏包括文件、编辑、视图、工具、触控配置、变量配置、帮助，
　　使用这些功能完全足够设计出复杂且精美的界面，完成后手动生成配置文件，保存到
　　U盘即可使用。利用VGUS2019开发工具进行开发能让整体开发周期缩短，开发成本
　　降低，解决了传统组态屏软件繁琐，关联性过大，学习困难的缺点。
　　4.7.3 组态屏功能设计与实现
　　先进行底图设计，组态屏视觉效果以及使用难度主要由底图来决定。利用PPT做
　　好需要的界面底图，包括各个功能模块、按钮、图标、效果图、键盘等等，再输出为
　　800X480分辨率的jpg格式图片保存待用。
　　使用VGUS2019开发工具新建工程，根据屏幕型号选择参数，为了与已经设计好
　　的底图匹配，分辨率选择800X480，如图4.18，界面跳转后将所有图片添加到工程，
　　图片命名需要以阿拉伯数字开头，根据功能决定顺序，到此整体架构就已经完成了。
　　图4.18 新建项目
　　整体架构影响变量分配情况，因为单片机控制组态屏全部由携带变量地址的指令
　　完成，一张完善的变量分配表需要综合考虑组态屏界面控件分布合理性，嵌入式程序
　　完成难度。将变量设计好后整理成表4.1形式。
　　表 4.1 部分 VGUS 变量分配表
　　添加控件设置属性时就需要查询表4.1了。具体步骤如下：
　　（1）登录界面设计
　　登录界面使用了双手捧嫩芽的图片，虽然图片上有点击进入按钮，但是添加控件
　　图片位置 变量名称 起始地址 字长度 变量类型 描述指针
　　1 输入密码 0x0000 2 数据录入
　　6 新建密码 0x0004 2 数据录入
　　6 再次输入 0x0006 2 数据录入
　　12 1 号红光- 0x000A 1 增量调节
　　12 1 号红光 0x000A 1 数据变量 0x FFFF
　　12 1 号红光+ 0x000A 1 增量调节
　　12 1 红录入 0x000A 1 数据录入
　　12 1 蓝录入 0x000B 1 数据录入
　　12 1 号蓝光- 0x000B 1 增量调节
　　12 1 号蓝光 0x000B 1 数据变量 0x FFFF
　　12 1 号蓝光+ 0x000B 1 增量调节
　　12 2 红录入 0x000C 1 数据录入
　　12 2 号红光- 0x000C 1 增量调节
　　12 2 号红光 0x000C 1 数据变量 0x FFFF
　　12 2 号红光+ 0x000C 1 增量调节
　　12 2 蓝录入 0x000D 1 数据录入
　　12 2 号蓝光+ 0x000D 1 增量调节
　　12 2 号蓝光- 0x000D 1 增量调节
　　12 2 号蓝光 0x000D 1 数据变量 0x FFFF
　　6 重建密码完成 0x000E 1 重建密码完成
　　17 定时蓝光关执行 0x000E 1 定时蓝光关执行
　　17 时间设定 0x000E 1 时间设定
　　17 时间确定 0x000E 1 时间确定
　　12 1 红执行 0x000E 1 1 红执行
　　12 1 蓝执行 0x000E 1 1 蓝执行
　　11 时间确定 0x000E 1 时间确定
　　12 2 红执行 0x000E 1 2 红执行
　　12 2 蓝执行 0x000E 1 2 蓝执行
　　的大小还是匹配整个窗口，实现窗口任意位置点击都能跳转到密码输入界面，如图
　　4.19。
　　图4.19 系统登录
　　图4.20 输入密码
　　在密码输入界面的输入框中仅添加数据录入控件，通过对其属性进行设置，关联
　　其他图片的键盘，实现点击框就会跳出键盘的功能，如图4.20。键盘录入6位数密码以
　　后，由单片机程序判断正确与否，根据不同判断情况控制组态屏显示不同界面。比如：
　　密码输入正确，跳转到图4.21所示界面，在此界面可以直接进入系统也可以重新设置
　　密码。
　　图4.21 密码正确
　　（2）数据监测界面设计
　　数据监测界面主要功能是传感器数据显示，分为空气环境参数、土壤环境参数、
　　作物参数三种情况，在图片上已经固化了单位部分，节省变量资源，这样添加数据变
　　量显示控件时，只需要把变量的存储地址与变量分配表对应即可，方便单片机程序采
　　集数据上传到对应位置，显示的数据保留一位小数，精度上已经满足了要求。
　　图4.22 数据监测
　　如图4.22，黄色按钮表示当前页面，点击灯板控制、设备控制、定时器会快速刷
　　新页面，实现其他功能控制。
　　（3）灯板控制
　　硬件部分的主板和副板一共可以连接十块灯板，并且都由组态屏完成调光控制。
　　受到界面大小限制，组态屏灯板控制功能分为两个界面显示，通过下一页按钮进行切
　　换，如图4.23。两个界面需要添加的控件基本一致，利用数据显示控件实现在红色框
　　内显示调节的数值，利用加减箭头单次调节、连续调节或者点击框内区域手动输入数
　　值，执行以后，组态屏就会自动把信息整合到指令中，通过串口发送给主板主控，由
　　主控解析、处理。值得注意的是，添加控件时应该把控件大小控制在稍大于图片按钮
　　的范围内，这样有益于增加触控有效性。
　　图4.23 灯板控制
　　（4）设备控制
　　绿外接的执行设备都是通过继电器控制的，继电器挂接在设备控制器上，而设备
　　控制器将八个继电器组合赋予一个地址，利用地址的偏移位实现组态屏端、物联网平
　　台端、执行设备一一对应。组态屏添加的控件一号到八号为一组，九号和十号一组，
　　正反转电机单独设置，如图4.24。打开状态下，图标为红色，关闭状态下图标为色，
　　图标需要自行设计，通过软件工具中的图标文件生成器选择素材生成Icon文件并放置
　　在图标文件栏下即可调用。正反转电机部分有普通控制和定时控制两种形式，普通控
　　制开闭设备无延时，定时控制需要先记忆定时时间，打开开闭时间设置开关，当按下
　　按钮时指示图标变红，定时时间在单片机程序中递减到零，然后复位图标为绿色，同
　　时在此界面的所有控制和物联网平台都是同步的，现象始终一致，若定时开闭设备，
　　时间至少为2秒，否则物联网平台反映过快，现象不明显。需要注意的是单片机程序
　　支持失败重发，多次失败才会判定指令下发不成功复位开关，所以打开一个设备时，
　　指示图标无现象就要等待至少两秒，这时单片机程序正在重发指令。
　　图4.24 设备控制
　　（5）定时器
　　灯板的控制需要支持定时操作，在定时页面有红光定时开、红光定时关、蓝光定
　　时开、蓝光定时关、定时器关、和屏幕亮度调节几种功能。
　　其中红蓝光灯板定时开关要输入时、分、秒信息并执行生效，单片机会记忆这些
　　时间，每隔200毫秒与实时时钟比较一次，结果一致时就会触发动作，调节后的LED
　　灯板亮度与上一次结果一致，所以进行定时操作应该先在灯板控制界面把每块灯板的
　　红蓝光光照强度都调节好再执行定时，蜂鸣器长鸣一声代表操作完成。
　　定时器关功能会把定时操作全部关闭，在程序中是有对应的标志位的，如果定时
　　功能打开了，掉电并重新上电后，不会恢复灯板亮度，只是重新把定时时间这些数值
　　写到组态屏上，如果定时器关功能被打开，所有定时失效，硬件掉电恢复供电后不仅
　　仅重写屏幕上原有数值，还会将其执行，灯板亮度依旧保持掉电前级别。
　　屏幕亮度控制不需要单片机程序参与，在界面上放置一个硬件参数配置控件，数
　　据框输入的数值会被该控件映射到组态屏内部寄存器，从而调节屏幕亮度。对于箭头
　　的加减调节可以控制上限和下限以及逾期处理方式，保证屏幕亮度不会误调到零，对
　　于手动输入，无法设定阈值，所以采取多次确认的方式，不仅在界面底部固化警示信
　　息，输入完成要点击确认，生效操作还要再点击一次确认，尽可能避免因操作不当导
　　致屏幕黑屏。
　　（6）通用部分
　　在数据监测、灯板控制、设备控制、定时器页面顶部都有项目名称和温室号管理。
　　添加控件的时候可以将其变量属性中的初始值以及变量存储地址写成一致，这样改变
　　一个页面所有页面的信息都会更新。考虑到温室数量可能很多，底片上只固定了＂号
　　温室＂三个字，前面留出区域供使用者手动输入，点击就会跳出数字键盘，最大支持
　　3位数字的温室号。项目名称若点击则会跳出拼音键盘，提前利用软件工具栏中的字
　　库生成工具，生成合适大小的GBK字库并添加到字库文件中，拼音键盘就是根据这个
　　字库文件进行模糊搜索的，录入方式设为修改文本方式，误触不会影响原有名称，只
　　有把原有名称删掉才能进行新名称修改，如图4.25。
　　图4.25 定时器
　　最后进行屏参配置，串口的波特率选择 9600 与单片机串口相对应，打开 CRC16
　　帧校验功能，每次下发指令要被单片机程序校验，上传指令要被组态屏内核校验，只
　　有校验通过的指令才能进入下一步。因为组态屏连接到硬件主板上，硬件主板的指示
　　大多靠 LED 灯和蜂鸣器，为了避免指示现象杂乱，所以组态屏硬件是不开启蜂鸣器
　　的。为了降低功耗组态屏启用屏保功能，五分钟以后自动息屏，点击屏幕即可唤醒。
　　第 5 章 测试
　　5.1 测试概述
　　该产品功能比较全面，兼顾监测功能和控制功能。可以挂接的传感器种类多、数
　　量多，可以控制的固定继电器多达 16 个，并且兼容 M88 工业 485 控制器。这就导致
　　需要处理的数据量庞大，为了产品的可靠性、安全性、实用性，系统的、全面的测试
　　必不可少。
　　5.2 测试环境与结果
　　5.2.1 调光精度测试
　　环境：室内正午光照
　　仪器：优利德 UT381 数字高精度照度计
　　将光照温湿度传感器与高精度照度计放在相近位置，如图 5.1，等待数据稳定并
　　记录，传感器测得的光照是 3148Lux，照度计结果为 3150Lux。因为两种仪器体积的
　　大小造成无法完全在同一光照条件下，结果有些许误差是正常的。
　　图5.1 太阳光照测量结果对比图第
　　环境：灯板调光
　　仪器：优利德 UT381 数字高精度照度计
　　手动调节灯板亮度，在同一位置测量 LED 灯板造成的光照强度，如图 5.2，并记
　　录实验结果，可见误差在允许范围内。
　　图5.2 LED调光测量对比图
　　5.2.2 数据互传、设备控制测试
　　设备：欧姆龙继电器模组
　　分别通过组态屏和物联网平台手动控制继电器开关，确保继电器状态与组态屏、
　　物联网平台现象一致，如图 5.3。等待一个刷新周期，记录组态屏数据监测页面和物
　　联网平台相应页面数据，如图 5.4，对比判断是否一致。
　　图5.3 继电器控制对比图
　　图5.4 数据对比图
　　5.2.3 老化测试
　　环境：恒高温、恒低温、程式变化温湿度
　　仪器：高低温（交变）湿热试验箱
　　试验箱控制器：TEMI1300
　　产品的主板、副板、设备控制器、继电器模组放在高低温湿热试验箱内运行，如
　　图 5.5。分别设定恒高温、恒低温环境试运行。
　　图5.5 老化测试实验图
　　图5.6 程式设定温湿度曲线图
　　再设定按程式变化的温湿度，如图 5.6，在各种温湿度环境下，利用组态屏和物
　　联网平台下发指令，观察继电器模组指示灯情况和传感器界面数据显示情况。反复测
　　试系统功能是否正常，证明基于 5G 物联网技术的植物工厂环境控制系统是能够稳定
　　运行的。
　　5.3 应用测试
　　环境：试验箱
　　该产品已经在高校内试运行，如图 5.7。
　　该植物工厂试验箱内各套设施齐全，在本产品的统筹控制下，能够实现控温，排
　　湿，加二氧化碳，补光等各种功能。此外因为产品设计合理，安装时就体现出便捷性
　　了，控制箱直接壁挂在恒温室外，于恒温室外就可以进行控制，透过透明玻璃随时观
　　察灯光实际情况。灯板安装在每层植物架顶端，由图 5.7 明显可以看到本套产品占用
　　空间很小。
　　目前已经栽种的植物生长状态良好，不同光照作用下对比明显，有效辅助了研究
　　员出研究成果。
　　图5.7 阜阳市产学研项目试验示范
　　第 6 章 总结与展望
　　6.1 总结
　　本文将 5G 技术、物联网技术和智能化植物工厂技术融为一体，实现植物生长环境
　　的精准监测控制。通过了必要性分析、可行性分析、应用前景分析、功能需求分析、
　　稳定性分析。产品本身设计合理，满足工业控制必要的稳定性要求，科学实验所需的
　　精度要求和为商业化添彩的新颖性需求。产品硬件部分拥有合理的设计，舍弃了常用
　　的数字电位器调光方式，改用 STC 的一款拥有 45 路 PWM 的 STC8G2K64S4 作为执行
　　单元，其他芯片均采用常见类型，方便备料的同时也极大的降低了成本。产品的传感
　　器和继电器地址部分支持软件配置，也就方便了该产品应用于不同的场合，根据实际
　　需要对所需传感器数量进行选择，试验箱内封闭实验，受场地大小限制就可以削减传
　　感器数量，满足基本使用需求即可。产品本身采用了独特的设备控制方式，所有继电
　　器模组都连接到设备控制器被当做传感器使用，支持标准 MODBUS 协议，这就意味着
　　可以挂接多个节点。产品主板、副板体积小，若采用合适大小的灯板甚至可以改造成
　　家庭植物工厂。同时产品在高低温湿热试验箱内经过了长时间测试，不管高温、低温
　　还是多变温度条件下，所有功能都能正常使用。这将是丰富环境艰苦地区人们菜篮子
　　的重要保障。多功能、多用途、可靠稳定新颖将成为该产品被推广使用的根本原因。
　　6.2 展望
　　本文对低成本、智能化、多用途植物工厂技术进行了研究，但是因为个人能力不
　　足、时间有限仍然存在部分功能待完善。
　　（1）本系统的不同指令是根据优先级高低分别进行处理的，程序整体并没有使用
　　系统，在后续工作中将结合操作系统进行程序设计，实现并发操作，更好的处理各种
　　指令的时间冲突。
　　（2）本文的研究严格来说并没有实现完全自动控制，在未来工作中需要创建植物
　　生长完整模型，包括温度、湿度、土壤 EC 值等各种参数，利用模型统筹整个系统功能