基于嵌入式和设备云平台的家庭植物工厂系统设计

发布时间：2020-11-05 11:05

　　 随着大型植物工厂研究的深入,家庭植物工厂受到人们越来越多的关注,在日本、荷兰、美国等农业技术发达的国家己经进入了产业化阶段。目前我国研发的家庭植物工厂系统,多选用PLC作为核心控制器,成本相对较高,并采用PID算法进行控制,控制效果往往不理想;在营养液循环过程中,会出现有害微生物和植物自毒物质,依靠现有技术往往净化不彻底;物联网技术衍生出的设备云平台技术应用到其中的实例也很少,这些问题都急需改进。本文通过对现有的家庭植物工厂系统进行分析,结合嵌入式技术、无线通信技术、设备云平台技术、LED光源技术、智能控制技术,设计并开发了一种基于嵌入式和设备云平台的家庭植物工厂系统,具体的工作内容如下:1.对家庭植物工厂内的环境因子、营养液因子、营养液净化技术的特点进行分析,将深紫外LED技术应用到营养液净化领域,制定了控制系统功能、算法、工作方式并设计了家庭植物工厂结构。2.对数据粗大误差剔除和传感器数据融合的常用算法进行分析,确定了使用狄克松准则和卡尔曼滤波相结合的传感器数据融合方案,能够有效提高传感器模块的测量精度,为输出控制设备的协调工作提供依据。3.根据光照强度、温度、湿度、营养液温度等因素会影响植物正常生长发育所需的CO2浓度,设计了一个四输入单输出的多因素模糊控制系统,使CO2浓度始终保持在适合植物正常生长发育的范围内。4.根据控制系统功能要求,选择STM32F103ZET6作为核心处理器,在此基础上完成传感器模块、LCD人机交互模块、数据存储模块、WiFi通信模块、LED模组和LED驱动模块、电机驱动模块、继电器模块的电路设计,并且证明了本设计的合理性和可靠性。5.为满足系统实时性的要求,移植UCOSIII嵌入式实时操作系统进行软件程序编写;移植EmWin进行了LCD人机交互模块程序开发;通过WiFi模块接入机智云云平台,并基于机智云提供的SDK包以及Android开源框架开发了一款Android APP,实现了对家庭植物工厂的远程操控。整体测试结果表明,系统各项性能均达到了设计要求,具有较高的可靠性,而且成本较低,满足实际应用的需求。对于降低家庭植物工厂生产成本,使智能化的家庭植物工厂进入千家万户具有重要作用。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S31;TP273
【部分图文】：

培养架顶部安装有５只白色ＬＥＤ灯管，它与Ｅ－Ｇａｒｄｅｎｌ的区别是没有额外设计??空调装置，充分利用家庭这一应用环境，以减少设备和运行投入，是一种易于普??及的家庭植物工厂形式。Ｅ－Ｇａｒｄｅｎｌ和Ｅ－Ｇａｒｄｅｎ２外观如图１－４所示。??；?．－??１?产’不＇丨?１￥．＇丨??ｎ卜」一－１?＾＾?１??Ｊ?＾?＾?＾?．??Ｉ?＃一１?＿??（ａ）?Ｅ－Ｇａｒｄｅｎｌ?（ｂ）?Ｅ－Ｇａｒｄｅｎ２??图?１?－４?Ｅ－Ｇａｒｄｅｎ?１?和?Ｅ－Ｇａｒｄｅｎ２??６??

?天津工业大学硕士学位论文???植物吸收最多的是红、橙光（６００－６８０ｎｍ），其次是蓝紫光和紫外线（３００－５００ｎｍ），??绿光（５００－６００ｎｍ）吸收的很少Ｕｌ］。家庭植物工厂采用ＬＥＤ模组对植物进行补光，??要求光源包含４００－５００ｎｍ的蓝紫光和６００－７００ｎｍ的红橙光，适当的红色、蓝色??光比例，既能保证植物光合作用对光质的需求，又能减少无效光谱和能量的消耗。??

２．２系统总体方案设计??２．２．１控制系统功能设计??如图２－２所示，家庭植物工厂系统由核心处理器、传感器、ＬＣＤ人机交互模??块、数据存储模块、电源、ＷｉＦｉ通信模块、输出控制模块以及Ａｎｄｒｏｉｄ?ＡＰＰ组成。??传感器模块实现了对系统内光照强度、温湿度、Ｃ０２浓度、营养液温度、ＥＣ、??ｐＨ和液位等数据信息的准确采集；通过在４．３寸ＴＦＴＬＣＤ触摸屏上搭建人机交??互模块，可以实时显示环境和营养液因子信息，选择系统的运行模式并对系统内??的设备进行操控；数据存储模块由ＳＰＩ?ＦＬＡＳＨ、ＳＤ卡组成，ＳＰＩ?ＦＬＡＳＨ用来存??放字库信息，解决核心处理器的ＲＡＭ不足的问题，ＳＤ卡用来更新字库信息；??核心处理器模块是控制系统的核心，它根据传感器模块采集的数据，进行分析决??策，并通过ＷｉＦｉ模块接入设备云平台，等待ＬＣＤ触摸屏或Ａｎｄｒｏｉｄ?ＡＰＰ的指令，??１１??
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本文编号：2871546