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智慧型水耕蔬菜云端控制系统
 

【作者: 黃錫泉、李祐維等人】2019年08月16日 星期五

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本作品主要研发一套具有云端智慧型判断之水耕蔬菜培养系统,系统传动机构采摩天轮式将水耕蔬菜接触营养液,透过温湿度感测器,监测温湿度将资讯传送至云端记录分析,驱动水墙与抽风达到培 养箱控温与湿度。本作品以模糊逻辑控制判断机制,用 Holtek HT66F70A 作为主要控制核心晶片,系统运作经由温湿度及 pH 值感测元件,撷取数据至晶片整合感测器讯号,後以 LCM 作为显示及操作之介面。系统实际整合软硬体控制介面,形成一套智慧型水耕蔬菜控制系统,测试结果符合预期研发目标。


近年来食安问题越来越受到重视,养生观 念也被越来越多人提起,若能在自家种植蔬菜,既可以达到安全卫生、又能安心食用,而 蔬菜培养箱恰好能解决此问题,亦能解决土地 空间不足问题,若再加上摩天轮式系统传动机 构设计,可使其具舒压及观赏用途。


传统控制大都采用 SISO 自动控制模式, 以 MIMO 智慧型较少,为有效远端智慧判断,结合云端数据上传与下载,既方便又实用。模糊逻辑控制器可以有效整合感测器讯号,进行模糊推论,将培养箱依据规画之规则库进行推论,最後再解模糊得到最适控制输出[1-3]。本 作品乃针对水耕蔬菜实际控制需求,建置出一般家庭可以培养的智慧控制模式,可广泛应用一般小家庭食用。


工作原理

本作品以食用及观赏为主要目的,设计一套 水耕蔬菜培养箱;运用摩天轮结构设计做为观赏用途。水耕蔬菜运用水墙与风扇达到降温及增湿效果,并搭配LED 光源调整至蔬菜适合的光谱。後将以上数据做模糊逻辑控制至最适条件,并在 LCM 上做显示,同时上传云端进行储 存。


本作品采用 Holtek HT66F70A 作为主要控制晶片核心,分别控制抽水马达、马达、风扇及LED 灯,并接收温湿度感测器、pH感测器及控制按钮等作为控制判断条件,搭配 RA8875 LCM 作为显示画面及网路通讯模组上传至云端资料库储存。


作品结构

本作品智慧型水耕蔬菜培养系统,主要分为五部分,分别为硬体结构设计、控制系统和电 路设计、模糊逻辑控制器设计、程式设计及云 端控制系统设计。硬体结构以 Inventor 绘图软体 绘制完成、控制电路以 Altium Designer 软体绘 制、程式以 HT-IDE300 程式书写软体设计。


硬体结构设计

本作品主要分为两个区块,分别为控制电路层及水耕蔬菜培养层如图 1 所示。控制电路层 以压克力且密封的方式设计,主要是隔离底部水气,内部放置 Holtek HT66F70A 控制晶片、 LED 灯板、LCM 显示控制面板及电源供应器等电控设备;水耕蔬菜培养层如图 2 所示,结构 主要以铝挤型组装,外壳采用透明帆布设计以 增加观赏性,蔬菜区以摩天轮方式,每排 4株共 4 排,运用直流马达使其旋转以达观赏用途及保持蔬菜湿度,并搭配水墙及风扇作降温及增湿设计,配合 LED 灯做光谱调变,将环境控 制在最适条件,左右把手设计,主要为方便搬运之用途。



图1 : 硬体结构示意图
图1 : 硬体结构示意图

图2 : 硬体结构示意图
图2 : 硬体结构示意图

控制系统和电路设计

控制系统架构如图 3 所示, 以 Holtek HT66F70A 为主要控制核心,撷取温湿度感测器、pH感测器、RTC等讯号,输出以继电器控 制抽水马达、马达 LED 灯及风扇等,并将感测 讯号及输出控制显示於 LCM 上,同时上传云端储存。


图3 : 控制系统架构图
图3 : 控制系统架构图

以Holtek HT66F70A控制晶片作为主要控 制核心,设计周边电路,将烧录脚、电源脚及I/O 脚为引出,以方便接线如图 4 所示。



图4 : Holtek HT66F70A 周边电路图
图4 : Holtek HT66F70A 周边电路图

HT11温湿度感测器可同时测量温度与湿度,此感测器是属於单线数位通讯,讯号较不易受到干 扰,最大传输距离可达 20 m。继电器控制电路 用於输出抽水马达、马达、风扇及 LED 灯等, 因其为大电流输出,所以利用 TD62083 的逻辑 IC 驱动继电器控制较大电流输出如图5所示。



图5 : DHT11及继电器控制电路图
图5 : DHT11及继电器控制电路图

模糊逻辑控制器设计

模糊逻辑推论是控制培养箱内之温湿度模 糊逻辑推论说明如下:


培养箱温度越高(V_H)则抽水马达的时间越 长(P_H)及风扇开、培养箱温度越低(V_L)则抽 水马达的时间越短(P_L)及风扇关、培养箱湿度 越高(V_H)则抽水马达的时间越短(PU_L)及风扇关、培养箱湿度越低(V_L)则抽水马达的时间 越长(P_H)及风扇开。


解模糊化即将模糊运算後的模糊数值转换 为明确数值,解模糊化较常使用的有重心法、 最大平均法、加权平均法及权重式平均法等,本作品采用重心法,公式请见图6。


图6 : 本作品采用重心法的公式
图6 : 本作品采用重心法的公式

程式设计

本作品程式设计控制流程图如图 7所示,以按钮控制进行操作,可切换手动与自动模式,可藉由手动进行输出,亦可设定叁数使系统搭配模糊逻辑控制做最适化输出,并将感测 讯号及输出控制显示於 LCM上,同时上传云端 储存。


图7 : 控制系统流程图
图7 : 控制系统流程图

云端控制系统设计

云端控制系统架构图如图8所示,说明如下:


1.流程1中装置透过 MCU 撷取量测点讯号并进行转换,再以网路通讯模组,上传至云端整合平台。


2.流程 2终端使用个人电脑或行动装置 APP 登 入至云端资讯整合平台系统,显示目前温湿度资讯。



图8 : 云端控制系统流程图
图8 : 云端控制系统流程图

四、测试方法


本作品将撷取到的资讯至Holtek HT66F70A控制晶片内整合,以模糊逻辑推论再 解模糊化求得输出值,并观察箱体内、外之温 湿度变化,本作品测试条件为自动模式,降温条件设定为小於等於 24 。C 时关闭降温系统、大於等於27 。C 时开启降温系统;pH 值以LCM 作 显示,条件设定为 6~7 之间,高於或低於设定值,将以手动补水或排水调整;光谱亮度设定以红蓝比 10:1 为设定值;最後将资料透过网路通讯模组上传至云端资料库储存,实验数据以每 1小时纪录 1 次、实验时间为 24 小时。


实验测量

温湿度测试 本作品於培养箱体内装一颗温湿度感测器作为温湿度测量,藉以观察箱体内部之温湿度 变化,将资料传至 Holtek HT66F70A 控制晶片中进行判断。


光照度测试 本作品运用流明感测器量测光亮度,验证本作品设定之叁数是否达到蔬菜需求之光量。


pH 值测试本作品在水箱内装设 pH 值感测器,藉以观 察水质变化,并将数值传至 Holtek HT66F70A 控制晶片中进行水质判断。


云端资料纪录本作品将培养箱之温湿度、光照度及pH值等资讯传至Holtek HT66F70A控制晶片,并搭配网路通讯模组上传至云端资料库储存。


实验结果

本作品成功将智慧型水耕蔬菜云端控制系统建置完成如图 9~10所示,本作品藉由 Holtek HT66F70A 作为主要控制核心,藉由模糊逻辑推 论可将培养箱之温度控制於 24~27 。C 之间,pH 值及光照可依设定正常运作,并透过 LCM 作显示如图 11所示。



图9 : 智慧型水耕蔬菜控制系统成品图
图9 : 智慧型水耕蔬菜控制系统成品图

图10 : 智慧型水耕蔬菜控制系统配线图
图10 : 智慧型水耕蔬菜控制系统配线图

图11 :  LCM 显示画面图
图11 : LCM 显示画面图

结论

本作品与市售的水耕蔬菜培养系统不同处 在於可针对不同蔬菜作光源的调整、摩天轮构造可观赏及云端监控;不会因外在环境变化而受影响,因此可以不必特别照顾,达到具有观赏性及简单培养性之功能。


(作者黄锡泉1、李佑维2、孙委呈2、曾满英2、陈汉棋2为建国科技大学自动化工程系1教授、2学生;本文为第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


叁考文献

[1] 陈心喜,具模糊控制之预测型直接转矩控制系统晶片设计与实现,国立台北科技大学电机工程系硕士班硕士论文,2014。


[2] 邱竣鸿,以模糊控制的电池管理系统,逢甲大学电机工程学系硕士班硕士论文,2013。


[3] 王进德,类神经网路与模糊控制理论入门与应用,全华科技图书股份有限公司,2007。


[4] 吴向宸、林??钦、李浩榕、李振发,机电整合应用与实习,新文京开发出版股份有限公司,台北,2012。


[5] 李联旺、廖??洲、谢政勋,人工智慧:智慧型系统导论(第三版),全华图书股份有限公司,2007。


[6] L. K. Wong, F. H. F. Leung, P. K. S. Tam, and K. W. Chan, “Design of an analog fuzzy logic controller for a PWM boost converter,” in Proc. IEEE IECON, vol. 1, 1997, pp. 360-363.


[7] G. Tarun, R. R. Boudreaux, R. M. Nelms, and J. Y. Hung, “Implementation of a fuzzy controller for DC-DC converters using an


inexpensive 8-b microcontroller ,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 44, no. 5, pp. 661-668, Oct. 1997.


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