基于嵌入式和设备云平台的家庭植物工厂系统设计

摘要

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已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。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题背景与研究意义

1．2植物工厂关键技术国内外研究现状

1．2．1植物工厂控制系统研究现状

1．2．2 LED光源及其调控技术研究现状

1．2．3智能控制技术研究现状

1．3家庭植物工厂研究概况

1．4本文主要章节及内容安排

第二章系统方案设计及原理分析

2．1家庭植物工厂影响因子分析

2．1．1环境因子分析

2．1．2营养液因子分析

2．1．3营养液净化技术

2．2系统总体方案设计

2．2．1控制系统功能设计

2．2．2控制系统算法分析

2．2．3控制系统工作方式

2．2．4家庭植物工厂结构设计

2．3设备云平台技术

2．4本章小结

第三章传感器数据融合与多因素模糊控制

3．1传感器数据融合

3．1．1传感器数据粗大误差剔除

3．1．2数据融合算法

3．1．3卡尔曼滤波在传感器数据融合中的应用

3．2多因素模糊控制

3．2．1多因素模糊控制原理

3．2．2多因素模糊控制器的设计

3．2．3系统仿真

3．2．4仿真结果与分析

3．3本章小结

第四章系统的硬件实现

4．1核心处理器选型

4．1．1基于STM32F103ZET6的解决方案

4．1．2 STM32最小系统电路

4．2传感器选型

4．2．1温湿度传感器

4．2．2光照强度传感器

4．2．3 CO2传感器

4．2．4液位传感器

4．2．5其它传感器

4．3 LCD人机交互模块

4．4数据存储模块

4．4．1 SPI FLASH

4．4．2SD卡

4．5 WiFi通信模块

4．6电源模块

4．7 LED模组及恒流驱动电路

4．7．1 LED模组

4．7．2恒流驱动电路

4．8输出控制模块

4．8．1电机驱动模块

4．8．2继电器模块

4．9本章小结

第五章系统的软件实现

5．1软件系统总体架构

5．2底层驱动软件设计

5．2．1开发环境简介

5．2．2传感器驱动软件设计

5．2．3 SPI FLASH驱动软件设计

5．2．4 SD卡驱动软件设计

5．2．5 FAFTS原理及移植

5．3 UCOSIII嵌入式实时操作系统

5．3．1 UCOSIII简介

5．3．2 UCOSIII在STM32上的移植

5．4基于EmWin的LCD人机交互软件设计

5．4．1 EmWin简介

5．4．2 LCD人机交互软件设计

5．4．3 LCD人机交互界面的实现

5．5云平台接入与移动端开发

5．5．1 WiFi模块软件设计

5．5．2机智云云平台接入软件设计

5．5．3机智云云平台接入开发

5．5．4 Android APP开发

5．6多因素模糊控制软件设计

5．7本章小结

第六章系统测试与实验分析

6．1硬件测试

6．1．1传感器模块测试

6．1．2 LED驱动电路测试

6．1．3深紫外LED模组测试

6．1．4 LCD人机交互模块测试

6．2软件测试

6．2．1云平台测试

6．2．2移动端测试

6．3实验结果与分析

6．3．1实物搭建

6．3．2实验结果与分析

6．4本章小结

第七章总结和展望

7．1工作总结

7．2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

附录

致谢