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智慧温室种期最隹化管理系统
第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 林振漢、吳明學等人】2020年05月19日 星期二

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在这几年政府推动精致农业下,台湾的温室种植已经普及化,温室种植带给农民的获益实在良多,尤其是温室的设备规划可以减少天灾及气候带来的影响,虽然种植出来的果实远比惯行农业来得好,但仍会有差别,不管是甜度、大小、重量、外观,不同的种植方法、经验会得出不同的成果。


如何导入最新科技及整合农民种植经验,来精准控管维持农产品的品质,达到降低成本、提高农民收益及确保农产品的食用安全?在智慧农业生产科技范畴中,农产品成长过程的环境监控技术,是热门的研究议题。


随着现代科技的快速发展,农业更加重视植物生理资讯的采集和环境的监控。温室环境叁数的采集和监控则是温室行业向着智慧化、准确化、高效化的关键环节。作为影响农作物生长的重要因素,空气与土壤的温湿度、光照度、电导度的采集和控制是必不可少。


收集的环境资料,透过网路上传到远端的云端伺服主机,做远端监控与纪录,监测资料提供後续大数据分析与研究使用远端电脑或手机连接到温室监控主机,可透过PLC/继电器推动,控制温室的卷扬、遮阴网、天窗马达,以及电磁阀供水进行环境监控提供一个农作物最隹的成长环境。因此,发展智慧农业就必须建置有一个高效、准确的温室环境监控系统。


随着物联网技术趋於成熟稳定,台湾温室种植开始导入科技,从自动化设备一直到现在的远端监控,但只有农场环境数据的纪录是不够的,如果整合农民的种植经验做出一套温室农场的管理系统,将更能维持住农产品的品质,透过这样的种植纪录及监测出的环境数据来做比对分析,建置一套种期的时程,也就是一套农作物的种植方法范本,可以让刚开始接触温室种植的农民跟着这样的范本种植,藉此省掉先前自行种植的摸索,减少种植上的疑虑,还可方便管控农作物的品质,产品也多一个食品安全把关。


创作目的

作品运用本团队熟悉的客制化温室监控系统开发,结合经验丰富的农业专家,将这些经验转化成电脑化云端管理系统,建置客制化温室种期管理与环境监控系统,提供价格便宜,符合一般小规模温室需求的客制化监控与管理系统。


在客制化环境监控装置部分,我们选用功能强大的嵌入式晶片,提供多样化的感测器选择与无线通讯模组,云端监控与管理系统,满足不同需求温室做客制化的温室监控系统,运用最新的LoRa远程通讯技术与MQTT通讯协定,将农场即时讯息连接云端伺服机,除了提供温室环境的即时监控外,环境资料的分析,还可以结合种期管理系统,做最隹化种期的规划。


在温室种期管理部分,我们借助隹和农场温室的管理经验,将纸本纪录转换成一套农场云端管理系统,农场主人可可透过电脑、手机或平板电脑,随时可以方便记录每日的工作流程、农作物的生长纪录与农场环境数据作分析,透过采收的结果纪录,来看该种期的季节是否适合种植。


藉此管理系统与环境监控数据比对,除了让农民农场环境与土壤灌溉施肥,做即时的修正外,长期的纪录,对於种期的规划,包括气候,种植的品种与数量,多提供了叁考选择,促使让农产品维持高品质,也让农民维持高获益。如果这样的种植方式效果良好,可变成一个种植范本,让其他的农民多一个叁考的依据。



图1 : 温室系统架构图
图1 : 温室系统架构图

温室农场环境感测节点选用高功能且价格便宜Arm CortexTM-M0+ HT32F52352嵌入式系统晶片,运用常用感测元件之标准介面如ADC、I2C、SPI、UART,依使用者需求配置各种感测器。并设计UART介面可弹性配置ZigBee、Wi-Fi或LoRa模组,提供无线通讯。


1.藉由环境感测节点收集农场环境数据,由LoRa、ZigBee传输技术传至监控主机,再透过4G、WiFi、InterNet连接到云端伺服,监看及纪录在资料库。


2.当温室环境发生异常,农民可远端控制农场里的自动控制设备,来实施保护措施,给予农作物舒适生长环境,达到降低损失。


3.农民们可透过手机、平板等,即时观看农场环境状况,使农民远在其他地区,也可时刻查看以利方便节省时间。


4.农民可将农作物种期的种植过程记录在管理系统,跟感测设备侦测到的数据与种期做比对分析,进而达到控管品质。分析结果可建立种期范本,提供经验不足的新农民叁考。



图2 : 温室管理系统架构
图2 : 温室管理系统架构

创作原理

本系统使用嵌入式晶片ARMR CortexTM-M0+ HT32F52352、感测与控与通讯技术LoRa、电源供应,依照农作物的环境需求可弹性配置所需要的环境控制系统,将收集到的数据,传置监控主机、手机或上传至云端伺服器,提供温室管理者与室外农夫掌握即时的环境监控状况。以下设计的环境监控装置有下列几个特点:


1.客制化的环境监控系统,标准化感测介面包含ADC、IIC、UART、SPI感测介面,适用市面上常用的『感测器』空气/土壤温湿度、土壤酸硷度、CO2、光照度、微波…。感测器,无线网路与电源供应规划,都提供多样选择。提供农民在不同的温室与农作物必要需求,避免浪费,降低成本.以最经济的价格提供农民即时的温室环境监控系统。


2.监控装置的网路规划,依据在地网路设施的条件不同,提供LoRa、WiFi、EntherNet通讯方式。监控装置的电源供应,依据在水电设施的条件,提供电池、太阳能、室电电源配置做选择。


3.建置温室种期管理系统,一般小农无需采购大型管理系统,自己掌握农场工作进度与状况。


4.温室环境监控系统结合种期管理系统,透过数据分析,找到自己农场的最隹化种期规划,促使让农产品维持高品质。


HT32F52352 MCU


本作品在MCU的选用上,由於两个关键的智慧装置,智慧机上盒与工业环境监控盒,必须具备多个感测、控制与无线能力通讯,因此我们选用32位元ARM等级的微控制器,提供更高效能的运算能力。盛群半导体基于Arm CortexTM-M0+高效能?核的32位高性能低功耗微控制器HT32F52352,做为智慧机上盒与工业环境监控盒的MCU。CortexTM-M0+ 是把嵌套向量中断控制器(NVIC),SysTick 计时器和先进的调试支援 紧紧结合在一起的新一代处理器内核。


该系列单晶片可借助Flash加速器工作在高达48MHz 频率下,以获得最大的效率。它提供多达128KB的嵌入式Flash记忆体用作代码/资料存储,16KB的嵌入式SRAM记忆体用作系统操作和应用程式运用。此系列微控制器有多种外设,如 ADC、I2C、USART、UART、SPI等。在唤醒延迟和功耗方面,几种省电模式提供了具有灵活性的最大优化方案, 这是在低功耗应用方面的重要考量。这些强大功能,将可满足中小企业工业机台需要多样性的感测控制,记录与演算的需求.微控制器HT32F52352功能架构如图3。



图3 : MCU HT32F52352功能架构
图3 : MCU HT32F52352功能架构

感测器、致动元件


在感测与控制的元件的选用上,主要依据大部分符合农作物与特性需求。例如侦测土壤温湿度、土壤酸硷度PH、EC、光照度、风速计、空气温湿度、LoRa。在控制方面使用了可程式控制器可控制温室内中的天窗、卷帘、天窗、滴灌等设备。相关的元件规格说明如下:


1.空气温湿度(SHT10): 原装瑞士SHT11传感器湿度测量范围:0100%RH湿度测量精度:+/- 4.5%RH温度测量范围:摄氏-40123.8温度测量精度。



图4 : 空气温湿度
图4 : 空气温湿度

2.光照度感测器(RS-GZ-N01): 提供RS485界面数字输出Ma0流明至200,000 流明宽检测范围,光罩强度+/- 7%(摄氏25度)。



图5 : 光照度感测器
图5 : 光照度感测器

3.土壤水分电导度温度感测器(MT10): 土壤水分量程精度0-50%内2%,50-100%内3% 电导度 精度0-10000us/cm 温度量程 -40~80范围内+/- 3%,10000-20000us/cm范围内+/-5% 温度测量范围:摄氏-40~80度,分辨率:摄氏0.1度,精度摄氏+/- 0.5度,运行环境摄氏-40-85度。



图6 : 土壤水分电导度温度感测器
图6 : 土壤水分电导度温度感测器

4.土壤pH感测器(ST-TR-PH): 4.00~10.00 pH、+/-1999 mV。精确度:+/-0.5PH,工作范围摄氏0-65度。



图7 : 土壤pH感测器
图7 : 土壤pH感测器

5.风速感测器:测量范围:0~70m/s,精度:+/-(0.3±0.03V)m/s,最大回转半径:90mm,分辨率:0.1 m/s,起动风速: 0.5 m/s以下,重量:小於0.5kg,工作环境:温度摄氏-60~50度,湿度低於100%RH。



图8 : 风速感测器
图8 : 风速感测器

6.LoRa模组:


168dB最大链路预算+ 20dBm-100mW恒定RF输出与电源电压的关系可编程比特率高达300Kbps,高灵敏度:高达-148dBm。



图9 : LoRa模组
图9 : LoRa模组

作品结构

硬体结构

温室监控主机


使用者可藉由温室感测节点收集温室环境数据,由LoRa、传输技术传至Mini PC监控主机当中的SQL,再透过MQTT连接到温室云端管理系统,藉以监看及叁考、纪录。当温室环境发生异常影响农作物生长需求,使用者可远端控制自动、现场手动控制农场里的控制设备,来实施保护措施,给予农作物舒适生长环境,达到降低损失。



图10 : 温室监控主机架构图
图10 : 温室监控主机架构图

温室感测节点


「温室感测节点」主要是依农夫、农民、使用者的需求在温室厂内布置各项环境感测器,如光照度、空气温湿度、土壤温湿度、土壤酸硷度等等,可依农作物需求进而加装所需的感测器;环境感测资料收集完毕後,透过LoRa无线网路,将温室环境资料传送至温室监控主机。



图11 : 温室感测节点
图11 : 温室感测节点

温室设备控制器


「设备控制器」主要是依据电脑收到的环境数值,若有温度过高、光照度过强或是土壤的湿度过低,电脑端即会发送讯号到控制器的PLC让对应的马达做相对应的处理,进而达到调控温室最隹的环境。



图12 : 温室设备控制器
图12 : 温室设备控制器

温室云端管理系统


农民们可将农作物种期的种植过程记录在管理系统,来跟感测设备所侦测到的数据做分析,进而达到控管品质。刚接触温室种植的农民可叁考种期范本种植,可省掉初期经验不足的问题。


软体结构

温室监控主机


温室监控主机是由工业级微型主机,通讯与人机介面程式使用Visual Studio、Python与PHP、SQL、MQTT、Node-red做云端整合监控。



图13 : 温室监控主机流程图
图13 : 温室监控主机流程图

温室感测节点


Arm-Based HT32F52352晶片韧体程式开发工具使用目前通用的Keil MDK-Arm。Keil是德国知名软体公司Keil开发的微控制器软体开发平台,是目前Arm嵌入式晶片开发的主流工具。程式流程如下:



图14 : 温室感测节点流程图
图14 : 温室感测节点流程图

温室设备控制器


当农场环境发生异常影响农作物生长需求,农民可远端控制农场里温室设备控制器使用HTF52352搭配Realy控制板自动控制设备,来实施保护措施,并回传设备状态,给予农作物舒适生长环境,达到降低损失。



图15 : 温室设备控制器流程图
图15 : 温室设备控制器流程图

温室云端管理系统


云端伺服器采用Node-RED,搭配MQTT通讯协定与MySQL资料库,程式流程如下:



图16 : 温室云端管理系统流程图
图16 : 温室云端管理系统流程图

测试结果与讨论

本系统提供网页和温室监控主机介面,给予使用者监控、管理,温室环境感测、温室设备控制、温室种期管理等操作。


温室感测节点(正常状态)

使用HT32F52352制作的感测节点包括空气温湿度、光照度、土壤温湿度、 电导度、PH值、水含量、风速计等感测资料,透过LoRa无线网路传输,皆能顺利传送到温室监控主机,做数据校准後。使用Visual Studio C#制作可视化人机介面,并使用MQTT传送到云端伺服器上。温室感测节点配置在温室如图17。



图17 : 温室感测节点
图17 : 温室感测节点

温室监控主机

温室监控主机是由工业级微型主机,安装LoRa Gateway与感测节点与温室控制器设备做无线通讯,人机介面程式使用Visual Studio C# 接收到的数据经由MQTT传送到云端伺服器上。搭配PHP、SQL、MQTT、Node-red、MySQL做云端整合监控与资料库纪录。并用云端MQTT订阅的控制指令,传送到温室设备控制器。测试结果都能正确传送与接收。温室监控主机如图18。



图18 : 温室监控主机
图18 : 温室监控主机

温室设备控制器

使用HT32F52352搭配Relay板,透过LoRa接上温室监控主机,接收传来指令控制温室设备。包括天窗、卷扬、遮阴网、排风扇、灌溉设备等。此外,利用控制开关马达之间隔时间,可计算天窗、卷扬、遮阴网开启的位置。提供更精确的调控功能。温室设备控制器如图19。



图19 : 温室设备控制器
图19 : 温室设备控制器

温室设备控制器(温室模拟屋)

为了整合测试,我们制作一个温室模拟屋,由电脑、云端下达指令,实际测试控制天窗 卷扬 遮阴网 排风扇控制动作。并调校控制位置,结果皆如预期可顺利监控温室摸拟屋,如图20。



图20 : 温室设备控制器(温室模拟屋)
图20 : 温室设备控制器(温室模拟屋)

温室云端感测与控制介面

在云端伺服器上使用Node-RED透过MQTT与Dashboard,显示温室感测器监控资料。云端下达指令,实际测试控制天窗、卷扬、遮阴网、排风扇控制动作。并调校控制位置,结果皆如预期可顺利监控温室摸拟屋。管理者可使用PC电脑、平板、手机上网,透过浏览器即可做温室环境感测器及时资料的查询与控制天窗、卷扬、遮阴网,冷风扇等马达的开关。温室感测数据与控制画面如图21。



图21 : 温室云端控制介面
图21 : 温室云端控制介面

温室种期管理网页制作

在云端伺服器上使用HTML、PHP、MySQL建立一套温室种期管理网页。提供温室管理者,在种期一开始即输入该种期基本资料,例如种植的农作物种类、数量、种植间距、温室编号、开始种植时间与预期收成时间。即可套上叁考种期范本(农业专家提供),协助温室管理员在农作物成长的不同阶段,应完成的工作事项。温室种期管理网页如图22。



图22 : 温室种期管理介面
图22 : 温室种期管理介面

应用实例分析-温室水果

洋香瓜的种期从定植到采收约50天,采收期约7天结束一个产期。洋香瓜种植程序显示如图23。



图23 : 洋香瓜种植程序
图23 : 洋香瓜种植程序

洋香瓜为属好高温多日照之作物,生育适温为25~30℃,对低温很敏感,昼间温度摄氏18度、夜间摄氏12~13度以下生育不隹。根据撷取的数据显示,温室内的温度都控制在摄氏25~29度,如图24。



图24 : 种植温室空气温度数据记录
图24 : 种植温室空气温度数据记录

美浓瓜甜度与日照有密切关系,两个种期的日照数据分析结果,印证温室专家的经验。期中一个种期连续阴天日照不足,影响农作物生长所需的日照造成采收时间变长、甜度下降、果重变轻。两个种期日照数据比较如图25。



图25 : 两种期日照比较
图25 : 两种期日照比较

土壤养分对温室水果的品质影响很大。以往在施肥期间,少量只能凭经验。自从安装多图壤电导度侦测,让温室管理者可做及时微调化肥的量,除节省成本,更避免施予多馀或不足的肥料,造成农作物品质的下降。两种期EC比较,如图26。



图26 : 两种期EC比较
图26 : 两种期EC比较

结论

本系统使用盛群32位元Arm等级的嵌入式晶片HT32F52352,利用晶片提供多元化的介面,搭配温室环境要求,配置不同的感测器、控制装置(继电器控制马达开关)、无线通讯 LoRa/MQTT,建置客制化温室环境无线监控系统。


本系统结合农业专家丰富的温室管理经验,整合种期管理系统,做最隹化排程,让农产品维持高品质,也让农民维持高获益。此外,这套系统未来还可应用到水耕蔬菜温室、水产养殖环境监控,将农产与养殖渔业一起带入物联网与AI人工智慧的领域。


(本文作者林振汉1、吴明学2、彭????2、李冠毅2、陈??钧2为修平科技大学电机工程系1教授、2学生)


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