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智慧溫室種期最佳化管理系統
第十四屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 林振漢、吳明學等人】   2020年05月19日 星期二

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在這幾年政府推動精緻農業下,台灣的溫室種植已經普及化,溫室種植帶給農民的獲益實在良多,尤其是溫室的設備規劃可以減少天災及氣候帶來的影響,雖然種植出來的果實遠比慣行農業來得好,但仍會有差別,不管是甜度、大小、重量、外觀,不同的種植方法、經驗會得出不同的成果。


如何導入最新科技及整合農民種植經驗,來精準控管維持農產品的品質,達到降低成本、提高農民收益及確保農產品的食用安全?在智慧農業生產科技範疇中,農產品成長過程的環境監控技術,是熱門的研究議題。


隨著現代科技的快速發展,農業更加重視植物生理資訊的採集和環境的監控。溫室環境參數的採集和監控則是溫室行業向著智慧化、準確化、高效化的關鍵環節。作為影響農作物生長的重要因素,空氣與土壤的溫濕度、光照度、電導度的採集和控制是必不可少。


收集的環境資料,透過網路上傳到遠端的雲端伺服主機,做遠端監控與紀錄,監測資料提供後續大數據分析與研究使用遠端電腦或手機連接到溫室監控主機,可透過PLC/繼電器推動,控制溫室的捲揚、遮陰網、天窗馬達,以及電磁閥供水進行環境監控提供一個農作物最佳的成長環境。因此,發展智慧農業就必須建置有一個高效、準確的溫室環境監控系統。


隨著物聯網技術趨於成熟穩定,台灣溫室種植開始導入科技,從自動化設備一直到現在的遠端監控,但只有農場環境數據的紀錄是不夠的,如果整合農民的種植經驗做出一套溫室農場的管理系統,將更能維持住農產品的品質,透過這樣的種植紀錄及監測出的環境數據來做比對分析,建置一套種期的時程,也就是一套農作物的種植方法範本,可以讓剛開始接觸溫室種植的農民跟著這樣的範本種植,藉此省掉先前自行種植的摸索,減少種植上的疑慮,還可方便管控農作物的品質,產品也多一個食品安全把關。


創作目的

作品運用本團隊熟悉的客製化溫室監控系統開發,結合經驗豐富的農業專家,將這些經驗轉化成電腦化雲端管理系統,建置客製化溫室種期管理與環境監控系統,提供價格便宜,符合一般小規模溫室需求的客製化監控與管理系統。


在客製化環境監控裝置部分,我們選用功能強大的嵌入式晶片,提供多樣化的感測器選擇與無線通訊模組,雲端監控與管理系統,滿足不同需求溫室做客製化的溫室監控系統,運用最新的LoRa遠程通訊技術與MQTT通訊協定,將農場即時訊息連接雲端伺服機,除了提供溫室環境的即時監控外,環境資料的分析,還可以結合種期管理系統,做最佳化種期的規劃。


在溫室種期管理部分,我們借助佳和農場溫室的管理經驗,將紙本紀錄轉換成一套農場雲端管理系統,農場主人可可透過電腦、手機或平板電腦,隨時可以方便記錄每日的工作流程、農作物的生長紀錄與農場環境數據作分析,透過採收的結果紀錄,來看該種期的季節是否適合種植。


藉此管理系統與環境監控數據比對,除了讓農民農場環境與土壤灌溉施肥,做即時的修正外,長期的紀錄,對於種期的規劃,包括氣候,種植的品種與數量,多提供了參考選擇,促使讓農產品維持高品質,也讓農民維持高獲益。如果這樣的種植方式效果良好,可變成一個種植範本,讓其他的農民多一個參考的依據。



圖1 : 溫室系統架構圖
圖1 : 溫室系統架構圖

溫室農場環境感測節點選用高功能且價格便宜Arm CortexTM-M0+ HT32F52352嵌入式系統晶片,運用常用感測元件之標準介面如ADC、I2C、SPI、UART,依使用者需求配置各種感測器。並設計UART介面可彈性配置ZigBee、Wi-Fi或LoRa模組,提供無線通訊。


1.藉由環境感測節點收集農場環境數據,由LoRa、ZigBee傳輸技術傳至監控主機,再透過4G、WiFi、InterNet連接到雲端伺服,監看及紀錄在資料庫。


2.當溫室環境發生異常,農民可遠端控制農場裡的自動控制設備,來實施保護措施,給予農作物舒適生長環境,達到降低損失。


3.農民們可透過手機、平板等,即時觀看農場環境狀況,使農民遠在其他地區,也可時刻查看以利方便節省時間。


4.農民可將農作物種期的種植過程記錄在管理系統,跟感測設備偵測到的數據與種期做比對分析,進而達到控管品質。分析結果可建立種期範本,提供經驗不足的新農民參考。



圖2 : 溫室管理系統架構
圖2 : 溫室管理系統架構

創作原理

本系統使用嵌入式晶片ARMR CortexTM-M0+ HT32F52352、感測與控與通訊技術LoRa、電源供應,依照農作物的環境需求可彈性配置所需要的環境控制系統,將收集到的數據,傳置監控主機、手機或上傳至雲端伺服器,提供溫室管理者與室外農夫掌握即時的環境監控狀況。以下設計的環境監控裝置有下列幾個特點:


1.客製化的環境監控系統,標準化感測介面包含ADC、IIC、UART、SPI感測介面,適用市面上常用的『感測器』空氣/土壤溫溼度、土壤酸鹼度、CO2、光照度、微波…。感測器,無線網路與電源供應規劃,都提供多樣選擇。提供農民在不同的溫室與農作物必要需求,避免浪費,降低成本.以最經濟的價格提供農民即時的溫室環境監控系統。


2.監控裝置的網路規劃,依據在地網路設施的條件不同,提供LoRa、WiFi、EntherNet通訊方式。監控裝置的電源供應,依據在水電設施的條件,提供電池、太陽能、室電電源配置做選擇。


3.建置溫室種期管理系統,一般小農無需採購大型管理系統,自己掌握農場工作進度與狀況。


4.溫室環境監控系統結合種期管理系統,透過數據分析,找到自己農場的最佳化種期規劃,促使讓農產品維持高品質。


HT32F52352 MCU


本作品在MCU的選用上,由於兩個關鍵的智慧裝置,智慧機上盒與工業環境監控盒,必須具備多個感測、控制與無線能力通訊,因此我們選用32位元ARM等級的微控制器,提供更高效能的運算能力。盛群半導體基于Arm CortexTM-M0+高效能?核的32位高性能低功耗微控制器HT32F52352,做為智慧機上盒與工業環境監控盒的MCU。CortexTM-M0+ 是把嵌套向量中斷控制器(NVIC),SysTick 計時器和先進的調試支援 緊緊結合在一起的新一代處理器內核。


該系列單晶片可借助Flash加速器工作在高達48MHz 頻率下,以獲得最大的效率。它提供多達128KB的嵌入式Flash記憶體用作代碼/資料存儲,16KB的嵌入式SRAM記憶體用作系統操作和應用程式運用。此系列微控制器有多種外設,如 ADC、I2C、USART、UART、SPI等。在喚醒延遲和功耗方面,幾種省電模式提供了具有靈活性的最大優化方案, 這是在低功耗應用方面的重要考量。這些強大功能,將可滿足中小企業工業機台需要多樣性的感測控制,記錄與演算的需求.微控制器HT32F52352功能架構如圖3。



圖3 : MCU HT32F52352功能架構
圖3 : MCU HT32F52352功能架構

感測器、致動元件


在感測與控制的元件的選用上,主要依據大部分符合農作物與特性需求。例如偵測土壤溫溼度、土壤酸鹼度PH、EC、光照度、風速計、空氣溫溼度、LoRa。在控制方面使用了可程式控制器可控制溫室內中的天窗、捲簾、天窗、滴灌等設備。相關的元件規格說明如下:


1.空氣溫溼度(SHT10): 原裝瑞士SHT11傳感器濕度測量範圍:0—100%RH濕度測量精度:+/- 4.5%RH溫度測量範圍:攝氏-40—123.8溫度測量精度。



圖4 : 空氣溫溼度
圖4 : 空氣溫溼度

2.光照度感測器(RS-GZ-N01): 提供RS485界面數字輸出Ma0流明至200,000 流明寬檢測範圍,光罩強度+/- 7%(攝氏25度)。



圖5 : 光照度感測器
圖5 : 光照度感測器

3.土壤水分電導度溫度感測器(MT10): 土壤水分量程精度0-50%內2%,50-100%內3% 電導度 精度0-10000us/cm 溫度量程 -40~80範圍內+/- 3%,10000-20000us/cm範圍內+/-5% 溫度測量範圍:攝氏-40~80度,分辨率:攝氏0.1度,精度攝氏+/- 0.5度,運行環境攝氏-40-85度。



圖6 : 土壤水分電導度溫度感測器
圖6 : 土壤水分電導度溫度感測器

4.土壤pH感測器(ST-TR-PH): 4.00~10.00 pH、+/-1999 mV。精確度:+/-0.5PH,工作範圍攝氏0-65度。



圖7 : 土壤pH感測器
圖7 : 土壤pH感測器

5.風速感測器:測量範圍:0~70m/s,精度:+/-(0.3±0.03V)m/s,最大回轉半徑:90mm,分辨率:0.1 m/s,起動風速: 0.5 m/s以下,重量:小於0.5kg,工作環境:溫度攝氏-60~50度,濕度低於100%RH。



圖8 : 風速感測器
圖8 : 風速感測器

6.LoRa模組:


168dB最大鍊路預算+ 20dBm-100mW恆定RF輸出與電源電壓的關係可編程比特率高達300Kbps,高靈敏度:高達-148dBm。



圖9 : LoRa模組
圖9 : LoRa模組

作品結構

硬體結構

溫室監控主機


使用者可藉由溫室感測節點收集溫室環境數據,由LoRa、傳輸技術傳至Mini PC監控主機當中的SQL,再透過MQTT連接到溫室雲端管理系統,藉以監看及參考、紀錄。當溫室環境發生異常影響農作物生長需求,使用者可遠端控制自動、現場手動控制農場裡的控制設備,來實施保護措施,給予農作物舒適生長環境,達到降低損失。



圖10 : 溫室監控主機架構圖
圖10 : 溫室監控主機架構圖

溫室感測節點


「溫室感測節點」主要是依農夫、農民、使用者的需求在溫室廠內布置各項環境感測器,如光照度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤酸鹼度等等,可依農作物需求進而加裝所需的感測器;環境感測資料收集完畢後,透過LoRa無線網路,將溫室環境資料傳送至溫室監控主機。



圖11 : 溫室感測節點
圖11 : 溫室感測節點

溫室設備控制器


「設備控制器」主要是依據電腦收到的環境數值,若有溫度過高、光照度過強或是土壤的溼度過低,電腦端即會發送訊號到控制器的PLC讓對應的馬達做相對應的處理,進而達到調控溫室最佳的環境。



圖12 : 溫室設備控制器
圖12 : 溫室設備控制器

溫室雲端管理系統


農民們可將農作物種期的種植過程記錄在管理系統,來跟感測設備所偵測到的數據做分析,進而達到控管品質。剛接觸溫室種植的農民可參考種期範本種植,可省掉初期經驗不足的問題。


軟體結構

溫室監控主機


溫室監控主機是由工業級微型主機,通訊與人機介面程式使用Visual Studio、Python與PHP、SQL、MQTT、Node-red做雲端整合監控。



圖13 : 溫室監控主機流程圖
圖13 : 溫室監控主機流程圖

溫室感測節點


Arm-Based HT32F52352晶片韌體程式開發工具使用目前通用的Keil MDK-Arm。Keil是德國知名軟體公司Keil開發的微控制器軟體開發平台,是目前Arm嵌入式晶片開發的主流工具。程式流程如下:



圖14 : 溫室感測節點流程圖
圖14 : 溫室感測節點流程圖

溫室設備控制器


當農場環境發生異常影響農作物生長需求,農民可遠端控制農場裡溫室設備控制器使用HTF52352搭配Realy控制板自動控制設備,來實施保護措施,並回傳設備狀態,給予農作物舒適生長環境,達到降低損失。



圖15 : 溫室設備控制器流程圖
圖15 : 溫室設備控制器流程圖

溫室雲端管理系統


雲端伺服器採用Node-RED,搭配MQTT通訊協定與MySQL資料庫,程式流程如下:



圖16 : 溫室雲端管理系統流程圖
圖16 : 溫室雲端管理系統流程圖

測試結果與討論

本系統提供網頁和溫室監控主機介面,給予使用者監控、管理,溫室環境感測、溫室設備控制、溫室種期管理等操作。


溫室感測節點(正常狀態)

使用HT32F52352製作的感測節點包括空氣溫溼度、光照度、土壤溫溼度、 電導度、PH值、水含量、風速計等感測資料,透過LoRa無線網路傳輸,皆能順利傳送到溫室監控主機,做數據校準後。使用Visual Studio C#製作可視化人機介面,並使用MQTT傳送到雲端伺服器上。溫室感測節點配置在溫室如圖17。



圖17 : 溫室感測節點
圖17 : 溫室感測節點

溫室監控主機

溫室監控主機是由工業級微型主機,安裝LoRa Gateway與感測節點與溫室控制器設備做無線通訊,人機介面程式使用Visual Studio C# 接收到的數據經由MQTT傳送到雲端伺服器上。搭配PHP、SQL、MQTT、Node-red、MySQL做雲端整合監控與資料庫紀錄。並用雲端MQTT訂閱的控制指令,傳送到溫室設備控制器。測試結果都能正確傳送與接收。溫室監控主機如圖18。



圖18 : 溫室監控主機
圖18 : 溫室監控主機

溫室設備控制器

使用HT32F52352搭配Relay板,透過LoRa接上溫室監控主機,接收傳來指令控制溫室設備。包括天窗、捲揚、遮陰網、排風扇、灌溉設備等。此外,利用控制開關馬達之間隔時間,可計算天窗、捲揚、遮陰網開啟的位置。提供更精確的調控功能。溫室設備控制器如圖19。



圖19 : 溫室設備控制器
圖19 : 溫室設備控制器

溫室設備控制器(溫室模擬屋)

為了整合測試,我們製作一個溫室模擬屋,由電腦、雲端下達指令,實際測試控制天窗 捲揚 遮陰網 排風扇控制動作。並調校控制位置,結果皆如預期可順利監控溫室摸擬屋,如圖20。



圖20 : 溫室設備控制器(溫室模擬屋)
圖20 : 溫室設備控制器(溫室模擬屋)

溫室雲端感測與控制介面

在雲端伺服器上使用Node-RED透過MQTT與Dashboard,顯示溫室感測器監控資料。雲端下達指令,實際測試控制天窗、捲揚、遮陰網、排風扇控制動作。並調校控制位置,結果皆如預期可順利監控溫室摸擬屋。管理者可使用PC電腦、平板、手機上網,透過瀏覽器即可做溫室環境感測器及時資料的查詢與控制天窗、捲揚、遮陰網,冷風扇等馬達的開關。溫室感測數據與控制畫面如圖21。



圖21 : 溫室雲端控制介面
圖21 : 溫室雲端控制介面

溫室種期管理網頁製作

@內文:在雲端伺服器上使用HTML、PHP、MySQL建立一套溫室種期管理網頁。提供溫室管理者,在種期一開始即輸入該種期基本資料,例如種植的農作物種類、數量、種植間距、溫室編號、開始種植時間與預期收成時間。即可套上參考種期範本(農業專家提供),協助溫室管理員在農作物成長的不同階段,應完成的工作事項。溫室種期管理網頁如圖22。



圖22 : 溫室種期管理介面
圖22 : 溫室種期管理介面

應用實例分析-溫室水果

@內文:洋香瓜的種期從定植到採收約50天,採收期約7天結束一個產期。洋香瓜種植程序顯示如圖23。



圖23 : 洋香瓜種植程序
圖23 : 洋香瓜種植程序

洋香瓜為屬好高溫多日照之作物,生育適溫為25~30℃,對低溫很敏感,晝間溫度攝氏18度、夜間攝氏12~13度以下生育不佳。根據擷取的數據顯示,溫室內的溫度都控制在攝氏25~29度,如圖24。



圖24 : 種植溫室空氣溫度數據記錄
圖24 : 種植溫室空氣溫度數據記錄

美濃瓜甜度與日照有密切關係,兩個種期的日照數據分析結果,印證溫室專家的經驗。期中一個種期連續陰天日照不足,影響農作物生長所需的日照造成採收時間變長、甜度下降、果重變輕。兩個種期日照數據比較如圖25。



圖25 : 兩種期日照比較
圖25 : 兩種期日照比較

土壤養分對溫室水果的品質影響很大。以往在施肥期間,少量只能憑經驗。自從安裝多圖壤電導度偵測,讓溫室管理者可做及時微調化肥的量,除節省成本,更避免施予多餘或不足的肥料,造成農作物品質的下降。兩種期EC比較,如圖26。



圖26 : 兩種期EC比較
圖26 : 兩種期EC比較

結論

本系統使用盛群32位元Arm等級的嵌入式晶片HT32F52352,利用晶片提供多元化的介面,搭配溫室環境要求,配置不同的感測器、控制裝置(繼電器控制馬達開關)、無線通訊 LoRa/MQTT,建置客製化溫室環境無線監控系統。


本系統結合農業專家豐富的溫室管理經驗,整合種期管理系統,做最佳化排程,讓農產品維持高品質,也讓農民維持高獲益。此外,這套系統未來還可應用到水耕蔬菜溫室、水產養殖環境監控,將農產與養殖漁業一起帶入物聯網與AI人工智慧的領域。


(本文作者林振漢1、吳明學2、彭倧潁2、李冠毅2、陳瑋鈞2為修平科技大學電機工程系1教授、2學生)


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