家庭微缩农园智能监控系统研制

骆飞，徐海斌

(江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏 淮安 223001)

近年来，随着我国城市化快速发展，集约化的建设导向加重了城市的辘集和拥挤，同时因为可达性、归属性等问题[1]，城市中存在着部分区域被荒弃闲置，未得到应有的开发利用。常年穿行在高楼林立、车水马龙的人们越发憧憬在不放弃都市便利生活的同时也能亲近田园，在闲暇之余体验农事，赋予闲置的碎片化空间景观体验，还能普及农业知识，起到智识教育功能[2]。因此，开展能满足这种新生活方式的家庭农园便应运而生[3-4]，如美国人设计的“一米园地(square foot garden)”“鲍德温家庭菜园”风靡网络，受到世界各地人们的喜爱和效仿。此外，在乡村振兴战略背景下，家庭农园被政府和企业作为田园综合体产业链打造的其中一部分，能加强家庭农园消费者对于田园综合体的用户黏性和价值认同感，对农业全产业链的补链、强链、延链和城市绿化发展起到重要作用。

目前国内外学者开展家庭农园研究主要集中在农园的概念内涵[4-5]、景观设计[6]、路径探索[7-9]、建议对策[4，8-9]等方面，在家庭农园的关键技术研究和小型化、微型化智能装备研制上较少，形成的农业传感器、信息通讯、物联网、大数据、云计算等技术成果主要应用在连栋大棚、日光温室生产中，能适用于家庭农园的设施装备却很少。

本文通过查阅文献，借鉴前人研究的相关经验[10-13]，结合天台、庭院、阳台等开放、封闭或者半封闭空间的特殊环境需求，以智能化、装配式、景观化、低碳化的理念和物联网等工程化手段，开展适用于家庭微缩农园的关键技术研究，设计一种家庭微缩农园的智能监控系统。

1 系统总体设计

1.1 箱体方案设计

因为考虑到家庭农园的面积都不会很大，本文称之为家庭微缩农园。所以家庭农园智能监控系统在满足功能设计的情况下，系统应微型化、小型化，尽量不占阳台面积。该系统设计尺寸为深350 mm×宽350 mm×高500 mm，最终成型如同床头柜的大小，不占空间，方便移动或拆卸。材质选择亚格力板，颜色为乳白色，内置20 L的长方体营养液罐。系统整体面板厚度5 mm，底部厚度20 mm，正面棱角做半径2 mm的圆角处理，底部加装(前)2只万向轮(带刹车)，(后)2只固定轮；正面与右侧面板挖空后处理使用螺丝加装面板，使之可拆卸；顶部水箱部分顶板加装铰链与把手使之可开启。正面面板垂直开孔4 mm安装LED指示灯(1 红色：power，3 蓝色：清水灌溉，肥水灌溉，水箱补水)，3只水平开孔16 mm红色按键(清水灌溉，肥水灌溉，水箱补水)，最右侧为电源开关按键。右侧底部开孔安装电源插口，传感器插口，进水口，出水口。箱体结构如图1所示。

图1 箱体结构图Fig.1 Box structure diagram

1.2 系统方案设计

家庭微缩农园智能监控系统主要是以可编程控制器(PLC)为控制单元，借助传感器、信息通讯和计算机，替代传统的人工控制模式。该监控系统主要是由农园测控系统、Web服务层、电脑端服务和手机移动端服务组成，其系统总体框架如图2所示。

图2 系统结构图Fig.2 System architecture diagram

2 系统实现及其关键技术

农园测控系统主要有农园小气候环境信息采集系统、土壤环境监测系统、监控摄像机(海康威视CS-H6C)、营养液灌液位检测系统、水肥智能滴灌系统、智能控制模块和数据传输模块。家庭农园中空气温度、湿度、日照强度与时长、土壤水分、土壤温度、电导率(EC值)、pH值等多参数传感器数据通过RS485协议采集后由可编程逻辑控制器台达DVP-SA2进行处理，整个系统采用低成本、低功耗、多参数通信节点设备和具有多种通信接口的网关设备，构建传感器网络、移动网络和 Wi-Fi 相结合的多级网络，一方面实现数据的实时采集，另一方面通过GPRS或Wi-Fi模块将各环境参数上传至Web服务器，同时接收来自服务器的控制命令[14-15]。Web服务器配置相应的数据库，主要进行数据的接收、存储和显示。服务终端可以通过电脑、手机APP或者微信小程序登录查看农园各环境参数。当检测到的数据出现异常时，会将警报信息发送到用户手机，及时提醒用户到农园查看。

2.1 农园小气候环境信息采集系统

针对不同家庭空间及环境差异，以及高温、植株和墙体影响无线信号传输等特点，筛选了适用于家庭微缩农园空气温湿度、光照、CO2等小气候参数专用单因子或多因子检测传感器，并安装了监控摄像机，实时动态采集农园小气候环境信息和图像。比如，当出现高温等异常时，会将警报信息发送到用户手机，提醒用户及时开窗通风降温。

2.2 土壤环境监测系统

土壤环境监测系统包括土壤温度传感器、EC传感器、湿度传感器和pH传感器。为提高准确性，每一个种植箱采用一组监测系统，每一个通道各由一个土壤温湿度变送器、 EC变送器、pH变送器组成。

2.3 营养液灌液位检测系统

营养液罐液位检测系统由液位传感器、营养液罐最低液位控制开关和营养液罐最高液位控制开关组成。当营养液灌液位低于液位下限时，营养液罐最低液位控制开关产生报警信号，停止灌溉，并将警报信号发送到用户手机上，提醒用户补充营养液；当营养液罐液位高于最高液位上限时，营养液罐最高液位控制开关产生报警信号，并停止补液。液位传感器实时监测营养液罐液位。

2.4 水肥智能滴灌系统

水肥智能滴灌系统可以进行清水灌溉与营养液灌溉，控制模式主要分为现场手动、远程、自动等3种控制方式，且具备自动补水、自动停水、提醒加药功能。自动控制是根据墒情、时间与作物生长周期的综合判断输出控制结果，当检测到土壤湿度不在农园作物种植所需湿度范围内时，服务器在接收信号后会下发相应的控制命令，停止或开启灌溉。营养液和水路功能设计如图3所示。

图3 营养液和水路设计Fig.3 Nutrient solution and waterway design

3 软件功能设计

家庭微缩农园智能监控系统监控终端可以分为上位机显示模块、下位机控制模块和数据通信模块等3个功能模块[16-17]。

3.1 上位机显示模块

电脑端服务组件或手机移动端服务组件接收来自数据通信模块采集到的各种类传感器信号(温度、湿度、光照、pH值、EC值等)，可以登录电脑端或者手机移动端随时访问系统所有运行状态信息和生长环境信息；该显示模块包括用户登录注册、运行参数显示、历史数据查询、用户信息管理和系统设置功能，用户能够通过PC端服务组件或者移动终端服务组件在任何具备网络覆盖的地方远程访问农园信息，也可点击界面上导出数据按钮把数据导出到Excel进行查看和处理，显示终端和信息查询界面如图4所示。

图4 显示终端和信息查询界面Fig.4 Display terminal and information query interface

3.2 下位机控制模块

通过RS485协议采集传感器数据，根据接收到的反馈信息可在电脑端或者手机移动端安装的软件上输入相应的控制参数后通过台达DVP-SA2控制器下发指令给相应的控制单元，从而完成对数据/视频图像采集和传输、营养液/清水灌溉等控制。控制参数输入界面如图5所示。

图5 配置参数界面Fig.5 Configuration parameter interface

在软件开发时增加了手动、自动模式切换功能，可根据用户需求自行选择可选配置[17-18]。控制指令下发界面如图6所示。

图6 控制指令下发界面Fig.6 Control command delivery interface

3.3 数据通信模块

内网通讯采用lora无线制式ModBus协议；外网通讯支持全网WCDMA、LTE FDD、GPRS/EDGE、EVDO、TD-SCDMA、CDMA1X、LTE TDD；支持Wi-Fi IEEE802.11b/g/n标准；功能主要有访问数据库、数据传输和故障报警。监控系统软件功能结构如图7所示。

图7 系统软件功能结构Fig.7 System software functional structure

4 样机试验

设计的家庭微缩农园智能监控系统在淮安市农业科学院国家稻麦科研育种创新基地生活区二层小楼阳台进行了试验，样机测试如图8所示。

图8 样机测试Fig.8 Prototype test

在试验过程中，对其通信稳定性、数据准确性、PC端服务组件和移动终端服务组件行了测试[15-16]，微缩农园智能监控系统样机一直处于稳定的工作状态，整个系统通信成功率为98%以上，土壤温度误差为0.6 ℃，土壤湿度误差为0.4%，EC控制精度误差为0.07 mS·cm-1，pH值控制精度误差为0.02，灌溉量控制精度误差为0.8%，其余各项指标均符合要求。系统运行至今，工作一切正常，能够满足家庭农园种植需求，可以进一步对其推广和应用。

5 结论

本研究在前期工作中集成了很多环境因子传感器，但目前只实现根据营养液液位、土壤温湿度、pH值、EC值这几个参数进行灌溉控制，后续研究中会开展根据光照、空气温湿度、系统能耗等参数，研究不接入市电的情况下，利用太阳能发电给装置供电、阳台窗户增加放风执行机构、家用厨余处理等设施配套；目前装置箱体是自行开模安装，装置体积还不够小，成本较高，在得到市场认可后，批量生产就需要找相关企业专门进行具体的模具开发，可进一步降低应用成本，装备拥有更小的外形，使用简便，符合家庭阳台等更广应用场景的需求。

本研究设计了一种高安全性、高可靠性、微型化、低成本的家庭微缩农园智能监控系统，并确保了样机工作状态稳定。主要适用于天台、庭院和阳台等场景应用，能够实现可视化的远程环境监测和自动生产管理，着力解决了家庭园艺装备严重缺乏、用户管理耗时耗力等问题。