基于物联网的抽屉式家用蔬菜生长柜控制系统

2015年4月农机化研究第4期

基于物联网的抽屉式家用蔬菜生长柜控制系统

蔡

1

宇，周

1222泓，李许可，朱斌斌，代永辉

（1．浙江大学仪器科学与工程学系，杭州摘

310027；2．杭州汉徽光电科技有限公司，杭州310000）

要：土地资源的紧缺和人口的增长性决定了城市居民很难获得私有的植物栽培土地。为了满足城市居民

和特殊环境用户对高品质绿色蔬菜的需求，提出了一种基于物联网的抽屉式家用蔬菜生长柜方案。蔬菜生长柜以每一抽屉为一控制单元，通过各种传感器和调节控制设备对光照、温度、湿度等环境因素进行感知和调节，满足不同蔬菜在不同生产阶段所需的光照、温度、水分、营养等环境因子需求。其环境因素的控制曲线保存于柜体的控制系统中，可通过物联网更新升级。研究结果表明：蔬菜生长柜受自然条件影响小，作物生产计划性强，生长速度快，周期短，自动化程度高，无污染，其多层式立体栽培方式可以节省60%～80%的土地。关键词：蔬菜生长柜；物联网；嵌入式系统

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中图分类号：S604．7；TP212

文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）04－0203－04

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.04.048

0引言

随着生活品质的不断提高，城市居民对绿色、安

光照是蔬菜进行光合作用的必需条件，不论是光的强度、组成及光照时间的长短，对于生长发育都是重要的。蔬菜种类不同，对光照的强度要求也不同，一般可分为强光蔬菜（如西瓜、黄瓜、番茄、茄子等）、中等光强度蔬菜（如白菜类、葱蒜类）和弱光性蔬菜（如绿叶菜中的莴苣、菠菜、芹菜等）。同时，不同的蔬菜种类对于光照时间长短要求也是不一样的。例如，白菜类、芥菜类等需要每天12～14h以上的光照条件，在较短的日照下不开花或延迟开花；大豆、苋菜、茼蒿等每天需要的光照时间为12～14h以下；而黄瓜、番茄等则对光照时间长短要求不严格，在较长或较短的光照下都能开花结实。此外，光质对蔬菜生长发育也有一定作用，日光中被叶绿素吸收最多的红光对植物同化作用的效率最大，而蓝光则对蔬菜根系的粗壮影响最大。

每种蔬菜生长发育对温度的要求不同，都有温度的三基点—最低温度、最适温度和最高温度，超出了最高、最低范围，生理活动就会停止，甚至死亡。蔬菜不同生育期对温度的要求也有所不同：一般种子发芽期要求较高的温度；蔬菜幼苗期的生长温度往往比发芽期低，苗期温度过高，易产生徒长；营养生长期一般要求温度比幼苗期高；生殖生长期（即抽苔开花期）要求充足的阳光和较高的温度。

蔬菜产品含水量在90%以上，干物质占不到10%，水是蔬菜植株体内的重要成分，同时又是体内新陈代谢的溶剂。在种子发芽期，要求一定的土壤湿度，以利于种子萌发和胚轴伸长；在幼苗期，移栽后要浇水，使土地和根系密接，再按保持土壤湿润原则继

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全、健康食用蔬菜的需求越来越迫切，但是土地资源的紧缺和人口的增长性决定了城市居民很难获得私有的蔬菜栽培土地。因此，本文提出了一种基于物联网的抽屉式家用蔬菜生长柜方案，根据蔬菜的最佳生长知识库，通过物联网技术，为蔬菜生长营造最佳生长环境，从而满足城市居民和特殊环境用户对高品质绿色蔬菜的需求。

蔬菜生长发育一方面取决于植物本身的遗传特性，另一方面取决于外界环境条件，需要通过栽培技术创造最适宜的条件，主要包括光照、温度、湿度及营养等因素。本蔬菜生长柜可以根据不同的蔬菜类型，以每一抽屉为一单元，满足不同蔬菜在不同生产阶段所需的光照、温度、水分及营养等环境因子需求；可对选定的蔬菜栽培进行最佳的自动化光照、温度、湿度等环境因素进行感知和调节，自动选择合适的多因子环境条件，为蔬菜生长提供合适的生长环境。同时，该多因子环境条件可参数化后存储于生长柜中，也可以通过物联网进行参数更新，从而保证蔬菜种类的方便扩展。

1系统工作原理

收稿日期：2014－04－18

“863计划”基金项目：国家项目（2013AA103001）作者简介：蔡

（E－mail）宇（1990－），男，福建仙游人，硕士研究生，chongyucaiyan@163．com。

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续适量浇水；营养生长盛期和养分积累期，要求土壤含水量达80～85%，需及时满足水分的要求，保证植株旺盛生长和产品器官的形成；开花期对土壤水分要求严格，水分过多或过少会引起落花落果。

蔬菜与其他作物一样，最需要的土壤元素也是氮、磷、钾，其次为钙、镁、硫、铁等元素，微量元素也需要。不同蔬菜种类对于氮、磷、钾三要素的要求有差别；叶菜类中的小型叶菜整个生长期需较多的氮肥，而大型叶菜除需较多氮肥外，生长盛期还需较多的钾肥及少量磷肥。根茎类幼苗期需氮较多，磷、钾较少；根茎肥大期需较多的钾、适量的磷和较少的氮；如后期氮素较高而钾供应不足，则生长受阻，产品器官发育迟缓。果菜类蔬菜的幼苗期需要氮较高，磷、钾吸收少；进入生殖生长期，对磷的需要激增，而氮的吸收略减；如果后期氮过多而磷不足，则茎叶徒长影响结果；而前期氮不足，则植株矮小；磷钾不足则开花晚，产量品质也随之降低。

由于专业和知识限制，由城市居民自己配比培养基与培育良种也存在一定的难度。在本产品设计中，用户只需要在生长柜界面上进行配送选择后，配送指令将自动上传到配送服务器；服务器进行自动命令解析，得到该上传信息的ID号，可自动匹配到用户信息，生成一条配送信息给配送部门，由配送部门上门提供用户所需的培养基与培养良种。整个培养基与培养良种已经组合在一个抽屉中，对于用户而言，只需将抽屉插入到柜体中即可运行。同时，也可把空抽屉送回给配送人员，以便进行下次配送，整个过程方便有序。

系统结构图如图1所示

。

2柜体控制器实现方案

生长柜柜体由多个蔬菜生长因子传感本设计中，

器组、多个执行器组和1个嵌入式控制器构成，每个柜体作为一个独立的网络节点，通过互联网与远程服务器进行数据通讯；多个柜体与远程服务器构成生长柜专用物联网，可根据蔬菜生长的多因子参数优化曲线来实现柜体内的蔬菜生长环境自动化调控。生长柜柜体如图2所示

。

图2生长柜柜体示意图

每个柜体由柜体控制器与4个抽屉单元组成。传感器组包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器及ＲFID读卡模块；执行器组包括压缩机、加热管、喷淋头、加湿器、风扇与阵列化灯板。该控制器能实现光照强度、温度、湿度的实时监测，也可实现基于柜体的加温、降温控制及除湿控制。每层柜单元中包括灯板与喷淋头，可实现基于柜单元的光照与加湿的控制。插入柜单元的每个特定抽屉中应有培养基与蔬菜种子，背后有ＲFID电子标签，一旦插入到柜单元中时，柜体中的ＲFID读卡模块自动扫描出该抽屉的蔬菜种类，并在控制器搜索与调取相应的蔬菜生长曲线，转化为相关应的光照、温度与湿度的参数，在一个单元内实现精细控制。一旦蔬菜生长完成，用户可将抽屉取出，食用完蔬菜后就通过无线网络进行重新定购，由专业人员进行上门换送抽屉。

柜体控制器设计具有以下特点：

1）控制器采用嵌入式结构，MCU采用AＲM9处理

图1系统总体结构图

器S3C2410，采用嵌入式Linux作为ＲTOS，可以对环

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境参数进行实时监测，并可针对蔬菜种类进行环境参数的调节控制。同时，可以通过互联网将数据与远程服务器进行通讯，方便地实现多任务调度。具体实现框图见图3所示

。

障，故障信息也可直接通过GPＲS模块上传到服务中心，服务中心可以尽快针对故障制定反馈或修复计划。当前柜体里存储了最多64种蔬菜类型，一旦蔬菜类型要发生更改或生长曲线要进行优化，服务器可以自动连接柜体，将远程参数数据“推”向柜体。由于远程服务的数据量不大，一般采用GPＲS流量包月方式，即可满足远程通讯的需要。

4）根据蔬菜的光合作用原理和节能原则，以自然光为主，采用阵列化红、蓝光LED补光为辅的光照系统，实现了红、蓝光的光参数优化和光照的均匀性。在本设计中，采用了一种以红8蓝3为单元的LED光源阵列，优点在于LED灯具结构设计中体现了共用性，节省了LED数量，并且可实现灯具的光色与光周期均可调性。其中，对光色的调节采用了高准确度的PWM波形调节方式，使能配合各种不同要求的植物所需的光质。考虑到产品的扩展性，本设计中最多可支持8块灯板的驱动，每块灯板分别有2个I/O控

图3生长柜嵌入式控制器具体实现框图

制，共需16路I/O。I/O口通过定时器可输出脉宽比可变的PWM波形，输出到灯板驱动板。由于微处理器的I/O端口的驱动电流不够，故要在每路PWM输出电路后级增加大功率驱动电路

。

2）采用ＲFID方式自动感知插入柜单元的抽屉类型，自动解析出所插入的蔬菜类型：每种蔬菜都有唯一的电子标签，贴在抽屉的背面。一旦抽屉插入到柜单元中，柜体将通过ＲFID读卡模块读出该抽屉的电子标签内置的ID类型号，并判断当前单元位置；控制器将该ID类型号在EEPＲOM存储单元中进行查询，一旦查询到该ID号后，将存于该段区域内的参数进行读取。系统共存有64段参数区间，每段区间为128字节，共计8k空间。这样总计可以存储64种蔬菜类型的参数，而每种蔬菜类型参数由128字节组成，分别分为4个生长阶段，分别由光照、温度、湿度参数构成。控制器自动读取在于EEPＲOM中的参数后，程序进行参数策略解析，并最终转化为灯板控制、温度控制与湿度控制命令。如果抽屉插入后无法读取ID号或ID号无法在EEPＲOM中查询到，则柜体控制器将报警，提醒用户是否没有按照规定使用抽屉。

3）柜体与服务器构成专用物联网，自定义通讯协议，可实现在线定购、故障报警与远程参数更新等功能。柜体采用SIMCOM公司的SIM300类型的GPＲS模块，具有网络通讯功能，用户可以通过人机交互界面的按键操作，选择欲定购的蔬菜种类与数量（以抽屉为单位）。蔬菜列表同样存储于EEPＲOM中，按下确认后，系统自动连接远程服务中心，发出定购请求；服务中心一旦收到来自于各柜体的数据，通过数据解析分析出请求命令，并将该命令转发给物流配送中心，进行定地址的蔬菜上门配送。一旦柜体发生故

图4植物生长柜实物图

3结语

本文提出的技术方案融合了嵌入式技术、物联网

LED技术与植物培育技术，技术、具有很好的系统扩展性。实验结果表明：蔬菜生长柜受自然条件影响小，作物生产计划性强，生长速度快，周期短，自动化程度高，无污染，同时多层式立体栽培方式可以节省60%～80%倍的土地。参考文献：

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DrawerTypeHouseholdVegetableGrowthCabinetControlSystem

BasedontheInternetofThings

CaiYu1，ZhouHong1，LiXuke2，ZhuBinbin2，DaiYonghui2

（1．DepartmentofInstrumentationScience，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China；2．HanhuiOptoelectronicsTechnologyCo．，Ltd．，Hangzhou310000，China）

Abstract：Shortageoflandresourcesandpopulationgrowthdeterminestheurbanresidentsaredifficulttoobtainprivateplantcultivationland，inordertomeettheurbanresidentsandspecialenvironmentoftheuserofthedemandforhigh－qualitygreenvegetables，isproposedadrawertypehouseholdvegetablegrowthcabinetcontrolsystembasedontheInter-netofthings．Vegetablegrowthcabinetprovidesafinecontrolofartificialenvironmentalconditionsforthegrowthofvege-tables，eachdrawerasacontrolunit，throughavarietyofsensorsandcontroldevicesforperceivingandregulatinglight，temperature，humidityandotherenvironmentalfactors，tomeetdifferentvegetablesrequiredatdifferentstagesofproduc-tionoflight，temperature，moisture，nutrientsandotherenvironmentalfactorsneeds，environmentalfactorscontrolcurvestoredinthecontrolsystemofthecabinet，andthroughtheInternetofthingsupdate．Theresultsshowthatvegetablegrowthcabinethaslittleinfluencebynaturalconditions，plantproductionplanningisstrong，fastgrowing，shortcycle，highde-greeofautomation，non－polluting，andmulti－dimensionalcultivationmethodscansave3to5timesoftheland．Keywords：vegetablegrowthcabinet；theInternetofthings；embeddedsystem

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