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植物生長環境自動監測與控制系統.docx
- 1. 國立聯合大學 電子工程學系 106 學年度專題研究報告 植物生長環境自動監測與控制系統 指導老師：曾裕強 教授 組 員：U0322030 李孟哲
- 2. U0322115 黃耀霆 中 華 民 國 1 0 6 年 1 2 月 2 0 日
- 4. 2 ＿＿＿＿＿＿＿＿ 中 華 民 國 1 0 6 年 1 2 月 2 0 日 致謝 感謝曾老師這一年的指導，同時也 感謝組員這一年的努力，讓我們學習解 決問題的能力。在開發的過程中面臨了 許多問題，但我們不放棄，努力探討、 分析及測試，使專題成果順利成形。同 時謝謝提供我們意見還有設備的同學與 老師。
- 6. 4 目錄 第一章 摘要......................................................................... 9 第二章 動機與目的 ............................................................. 9 第三章 系統架構 ............................................................... 10 3-1 系統簡介..................................................................... 10 3-2 感知層......................................................................... 10 3-3 網路層......................................................................... 10 3-4 應用層......................................................................... 11 第四章 開發過程 ............................................................... 12 4-1 微控制器建置 .......................................................... 12 4-1-1 照度感測器校正 ............................................. 13 4-1-2 大氣溫溼度感測器校正.................................. 14 4-1-3 土壤濕度感測器校正...................................... 15 4-2 自動控制 .................................................................. 16 4-2-1 灌溉給水 ......................................................... 17 4-2-2 LED 燈光照..................................................... 18 4-3 無線網路傳輸 .......................................................... 19 4-4 伺服器建置 .............................................................. 20
- 7. 5 4-5 Web 開發................................................................. 20 4-6 Android App 開發 .................................................... 21 第五章 成果展示 ............................................................... 24 5-1 系統展示.................................................................... 24 5-2 Web 展示..................................................................... 25 5-3 手機 App.................................................................... 27 第六章 結論與未來展望 ................................................... 32
- 8. 6 圖目錄 圖 1 系統整體架構圖 ............................................................ 10 圖 2 微控制器設備 ................................................................ 12 圖 3 照度感測器校正 ............................................................ 14 圖 4 大氣溫度濕度感測器校正 ............................................ 15 圖 5 繼電器模組.................................................................... 16 圖 6 抽水馬達........................................................................ 17 圖 7 澆水灌溉........................................................................ 18 圖 8 T8 LED 燈管................................................................... 19 圖 9 ESP8266 模組與伺服器連接流程圖.............................. 20 圖 10 「圖表」頁面之操作流程圖....................................... 22 圖 11 「設定」頁面之操作流程圖....................................... 23 圖 12 自動監測與控制系統概觀........................................... 24 圖 13 Web 與 App 功能介紹 .................................................. 25 圖 14 網站首頁...................................................................... 26 圖 15 設定照明時段 .............................................................. 26 圖 16 歷史紀錄查詢 .............................................................. 27 圖 17 歷史紀錄分析圖 .......................................................... 27
- 9. 7 圖 18 檢視頁面...................................................................... 28 圖 19 圖表頁面-1................................................................... 28 圖 20 圖表頁面-2................................................................... 29 圖 21 圖表頁面-日期設定..................................................... 29 圖 22 圖表頁面-時間段設定 ................................................. 30 圖 23 設定頁面...................................................................... 30 圖 24 設定頁面-設定日溫..................................................... 31 圖 25 設定頁面-修改成功時 ................................................. 31
- 10. 8 表目錄 表 1 T8 LED 距離對單位接收光照度的影響........................ 19
- 11. 9 第一章 摘要 本專題計畫擬規劃一套用於溫室植物的植物生長環境監控系統， 運用智能監控有效降低人力管理成本以及提升作物產量。導入植物工 廠概念到農作物培育，提供自動化環境監控，針對植物所需的溫度、 光照以及土壤含水量進行調控，植物不會受外在天候與環境的影響， 進而提升生產的數量及品質[1]。整個系統整合各式感測器、控制光 源、灌溉給水系統的 MCU(Micro Control Unit)模組，前端感測器 24 小時偵測大氣溫濕度、光照、土壤含水量等植物環境，並定時將生長 資訊儲存至後端數據庫供分析參考依據，當環境變化達到設定參數值 時，立即啟動自動化設備進行區塊灌溉、LED 植物成長燈加強照明 等環境微調，有效控管植物的生長環境。 第二章 動機與目的 隨著科技持續進步，傳統農業結合高科技管理、智能監控介入植 物生長的過程，自動調控作物生長所需的資源，搭配巨量資料分析， 持續優化植物生長環境，可大幅提升植物生產效益。本專題開發物聯 網整體架構的雛型，建置植物生長環境的監測與調控的系統，藉由自 動化監控與調節，提升農作物生產效率和品質。管理者使用監控平台 即時分析作物的生長情形，有效控管植物的生長環境、節省成本和快 速回應栽培需求，便於農場經營與管理[2]。
- 12. 10 第三章 系統架構 3-1 系統簡介 本系統結合物聯網相關應用 ， 主要架構分為三層 ， 分別為感知層、 網路層與應用層，系統整體架構如圖 1 所示。 圖 1 系統整體架構圖 3-2 感知層 主要為檢測外在環境的數據資料 。 本專題在植物周邊設置感測器 ， 負責檢測植物生長環境的光照、溫度、濕度、土壤含水量物理量。感 測器對外在環境的物理量進行量測，檢測的類比訊號經由運算轉換成 數位訊號資料，傳輸資料至微控制器的接收單元[3]。 3-3 網路層 使用低功耗、低頻寬的無線感測通訊模組，透過無線網路和行動
- 13. 11 通訊協定技術，傳送環境數據資料到應用層的遠端伺服器。常見的無 線網路傳輸協定包含 IEEE802.15.1(藍芽)、通用封包無線網路服務 (GPRS)、 Zigbee 以及 Wifi 等通訊協定。本專題使用相容微控制器的 無線網路通訊模組，透過無線網路搭配行動通訊協定與遠端伺服器建 立接口連線，進行資料封包互相交換傳輸。 3-4 應用層 應用層為系統服務平台的整合，進行資料探勘、資料倉儲、決策 支援以及商業智慧等應用，依據使用者需求進行數據分析處理，提供 客製化的服務功能。本專題使用伺服器儲存感測器檢測的數據資料， 透過數據分析，提供自動化控制與使用者監控介面與視覺化數據分析 等服務功能。自動控制為伺服器根據當前植物生長環境的物理量，比 對自動調控系統的參數數據，控制植物生長過程，例如：灌溉水、環 境溫/濕度、輔助 LED 成長燈照時段，進一步達到節能控管，減少不 必要的資源損耗[4]。監控介面提供網站以及行動載具(APP)服務，使 用者搭配行動載具監控植物目前生長環境，掌握植物目前的生長狀態； 同時可以觀察植物生長環境歷程分析圖，對植物做長期的紀錄追蹤， 持續優化植物適合的生長環境[5]。
- 14. 12 第四章 開發過程 4-1 微控制器建置 本專題使用 Arduino UNO 開發板建置植物生長環境自動監測控 制系統，負責接收感測器量測的數據以及自動化設備控制的功能。量 測植物的感測器使用光照感測器(TSL2561)、大氣溫溼度感測器 (HTU21D)以及土壤濕度感測器(YL-69)，檢測植物周邊環境的物理量； 自動化設備是使用繼電器進行開關控制，調控周邊抽水馬達和 T8 LED 燈管等設備，當環境變化達到設定參數值時，立即啟動自動化 設備調控，圖 2 為微控制器設備。 圖 2 微控制器設備 Arduino 接收到類比線性感測器轉換的數位訊號以線性關係式呈現， 在電路傳輸跟線性電路斜率(slop)過程產生偏差量(offset)，讀取數值
- 15. 13 會出現類比誤差，必須經過軟體線性方程運算校正，將各個感測器偵 測的數位訊號轉換成準確測量單位數值。本專題搭配儀器比對液晶螢 幕顯示器(LCD)之感測器數值，校正過程使用線性方程[6]，其公式如 下： Y’：感測器校正數值 Y ：感測器讀取數值 a ：斜率(slope) b ：位移量(offset) 4-1-1 照度感測器校正 本專題使用的光照感測器測量單位是拉克斯(lux)，搭配市面上光 照儀器比對感測器量測數據資料誤差值，進行感測器資料校正。數值 量測是透過螢幕顯示器(LCD)讀取照度感測器數值，數值單位以 L 表 示，量測過程如圖 3 所示。量測過程取 10 筆感測器以及儀器分別測 量的數值，經過運算後，a(量測斜率 slope) 數值為 0.98(四捨五入取 至小數點第二位)，b(位移量 offset) 數值為 24.32(lux，四捨五入至小 數點第二位)，套用至 Arduino 校正函式庫進行資料校正，量測結果 如圖 4 所示。 Y’= aY + b
- 16. 14 圖 3 照度感測器校正 4-1-2 大氣溫溼度感測器校正 本專題大氣溫溼度感測器(HTU21D)，搭配溫溼度儀器校正感測 器輸出的溫度濕度數位訊號值，校正過程中使用 y=ax+b 線性方程， 修正原始溫溼度讀取數值，運算結果套用至溫度和濕度校正函式庫。 感測器測量數值顯示於 LCD 液晶顯示器，大氣溫度與濕度數值單位 分別以 T 和 H 表示，校正過程如圖 5 所示。溫度和濕度校正過程， 分別取樣 10 筆感測器和儀器測量的資料數值進行校正，大氣溫度校 正結果 ， a(量測斜率slope) 數值為0.67(四捨五入取至小數點第二位)， b(位移量 offset) 數值為 7.01(℃ ， 四捨五入至小數點第二位) ， 如圖6 所 示；大氣濕度校正結果，a(量測斜率 slope) 數值為 1.24(四捨五入取
- 17. 15 至小數點第二位)，b(位移量 offset) 數值為-16.46(%，四捨五入至小 數點第二位)，結果如圖 7 所示。 圖 4 大氣溫度濕度感測器校正 4-1-3 土壤濕度感測器量測 本專題土壤濕度感測器測量的數位訊號，經過運算轉換成土壤相 對溼度[7]，其公式如下： 土壤重量含水率(%)：水分重 / 乾土重 × 100% 田間持水量(%)：土壤濕度 / 土壤飽和水重 × 100% 土壤相對溼度可以檢測出目前土壤的實際含水量，提供設備自動控制 灌溉的標準，土壤相對溼度的運算結果顯示於 LCD 螢幕顯示器，土 壤濕數值度以 M 進行表示。 土壤相對溼度(%) = 土壤重量含水率/田間持水量
- 18. 16 4-2 自動控制 植物生長環境自動控制包含 LED 燈光輔助照明以及供水灌溉， 控制設備的中樞使用繼電器(relay)模組進行開關控制，如圖 8 所示， 當植物生長環境的參數值符合控制標準，例如：光源不足或是當前土 壤含水量過低，繼電器模組立即開啟 LED 燈照明和抽水馬達設備進 行自動控制。 圖 5 繼電器模組 具體流程是 Arduino 透過無線網路通訊模組(ESP8266 Wifi)上傳 感測器數據資料至遠端伺服器(Server)，伺服器判斷目前環境參數值 是否符合植物的生長條件，當目前環境不符合植物適合的生長環境時， 回傳命令至 Arduino，繼電器針對不同控制設備進行開關控制。
- 19. 17 4-2-1 灌溉給水 自動灌溉是利用抽水馬達進行水源補給，如圖 9 所示。當前環境 土壤濕度低於值物生長所需的水含量，繼電器開啟抽水馬達開始運轉， 水自動抽取至不透明管下方的孔隙作進行澆水灌溉，灌溉過程如圖 10 所示。 圖 6 抽水馬達
- 20. 18 圖 7 澆水灌溉 4-2-2 LED 燈光照 照明設備使用光照外接 T8 LED 燈光控制，如圖 11 所示。植物 單位接收光照強度取決於照明設備距離，距離燈照光源愈遠，每單位 接收的光照度愈低，表 1 為 T8 LED 距離對單位接收光照度的影響。 植物須安排至距離燈管 6 公分內，靠近離光源照明設備近的位置進行 照明控制(番茄為例，接收光照量最低 5000 lux)，。
- 21. 19 圖 8 T8 LED 燈管 燈管距離 光照度 2 公分 ≌ 9000 lux 4 公分 ≌ 6400 lux 6 公分 ≌ 4800 lux 8 公分 ≌ 3900 lux 10 公分 ≌ 3300 lux 表 1 T8 LED 距離對單位接收光照度的影響 4-3 無線網路傳輸 本專題使用無線網路通訊模組(ESP8266)，先執行 AT command 登 入 Wifi AP，再與遠端伺服器建立 TCP/IP 傳輸層連線，發送 HTTP 通
- 22. 20 訊協定的 GET 請求，傳送感測數據至遠端伺服器，圖 12 為 ESP8266 模組與伺服器連接流程圖。 圖 9 ESP8266 模組與伺服器連接流程圖 4-4 伺服器建置 本專題建置後台伺服器的作業系統為 Linux Ubuntu 16.04 ， 架設網 站伺服器 Nginx ， 後台伺服器採用 PHP 跨平台服務端嵌入式腳本語言， 負責處理 HTTP 請求服務以及連接後台資料庫。當伺服器接收到 ESP8266 發送的 GET 請求後，感測器數據資料透過 PHP 腳本運行 存入至後台 MySQL 資料庫；同時伺服器比對植物環境設定檔的參數 是否符合控制標準，當環境變化達到設定參數值時，立即發送控制命 令至微控制器進行自動調控。 4-5 Web 開發 傳送資料 command： AT+CIPSEND=[length] Get [url]?parm1=parm1&parm2=parm2 建立TCP連接 command： AT+CIPSTART="TCP","[server]",80 加入接入點 command： AT+CWJAP="[ssid]","password"rn
- 23. 21 本專題開發網頁(web)監控服務介面，提供使用者即時監控植物目 前生長環境以及分析環境物理量數據圖。Web 使用的工具語言為 HTML、JavaScript 以及 CSS，開發介面採用響應式網頁設計(RWD) 提供不同行動裝置介面。主頁面負責顯示植物生長環境資訊，運用 AJAX 網頁非同步方法存取後台伺服器資料庫的感測器數值，幫助客 戶端網頁動態顯示當前數據資料。前台網站介面提供視覺化分析圖， 採用開源 Chart.js 函式庫，提供簡單方法開發互動性圖表，方便使用 者分析量測數據對時間之圖形化介面。量測數據分析圖提供歷史紀錄， 使用者根據不同日期以及感測器追蹤過去歷史紀錄的數據資料，統計 植物周遭環境的變化情形。 4-6 Android App 開發 本專題使用 Android Studio 開發手機 App，使用 Java 語言和標記 式語言 XML 開發使用者介面。在功能的設計包含即時觀看最新環境 資訊的「檢視」頁面、針對過去數小時或者過去任一時間段所偵測到 的環境數據以圖表方式呈現的「圖表」頁面與提供使用者能夠自行定 義環境參數基準值的「設定」頁面。 「檢視」頁面：該頁面在設計上將所感測到的四種環境數值分別 以不同的區塊獨立出來顯示，而每一區塊主要提供目前環境狀況、感
- 24. 22 測數值、相較於前一次感測數值的變化以及時間戳記等訊息。區塊靠 右側的圖像則是對應調控裝置的狀態，針對裝置的開啟與關閉會有不 同的圖像顯示以利使用者檢視。 「圖表」頁面：圖表的建置上採用 Philipp Jahoda 所製作的 MPAndroidChart 套件進行設計 ， 選用該套件的原因在於它的功能強大， 而且也有提供套件的使用教學與範例程式碼。設計上針對四種環境數 值都有其對應圖表，其中由於大氣溫度與大氣濕度會互相影響而將這 兩者合併在同一圖表並做相應的調整。進入頁面設計上預設將先顯示 過去七小時的環境數值分佈圖，若使用者想查看幾天前某一段時間的 環境狀況，可先點選右上角垂直向下三點圓的圖示，接著選擇日期， 最後設定想要查看的時間段即可以獲得該段時間的環境分佈圖。操作 流程圖如圖 13 所示。 圖 10 「圖表」頁面之操作流程圖 「設定」頁面：該頁面主要提供使用者自定義植物所需環境參數 的基準值以利在檢視、圖表頁面與相關控制裝置的能夠做出相對應的 調整。操作上首先點選欲修改的任一環境參數，接著在顯示的對話方
- 25. 23 塊輸入數值，點選確定上傳成功後會出現“修改成功”的氣泡訊息。 操作流程如圖 14 所示。 圖 11 「設定」頁面之操作流程圖 另外，手機 App 端使用 Google 所推出的 Volley Http Request framework 處理工具來與伺服器溝通，選擇使用 Volley 的原因在於其 屬於輕量級的 HttpRequest 處理工具，相較於傳統使用 HttpClient 和 HttpURLConnection 除了在程式碼的撰寫上簡單許多，並且它的設計 目標非常適合去進行數據量小、通信頻繁的網路操作。
- 26. 24 第五章 成果展示 5-1 系統展示 本專題開發植物生長環境自動監測與控制系統，感測器接收植物 外在環境資訊，透過無線通訊模組進行資料傳輸，同時接收伺服器命 令作自動控制，系統整體概觀如圖 15 所示。 圖 12 自動監測與控制系統概觀 使用者透過行動載具(網站 Web 以及手機 App) ，即時分析作物生長 環境數據圖，幫助使用者了解當前植物環境狀況。服務介面提供監控 服務，使用者自行設定目前植物環境參數設定檔，調整植物周邊設備 之控制範圍，有效管理植物生長環境。圖 16 為 Web 和 App 功能介 紹。
- 27. 25 圖 13 Web 與 App 功能介紹 5-2 Web 展示 網站介面提供視覺化分析圖以及監控服務，使用者透過瀏覽器連 結至伺服器的首頁進行網頁服務。首頁提供植物生長環境資訊的數據 分析圖，顯示當前值物環境最新的數據變化，如圖 17 所示。首頁右 方提供監控設定功能，使用者自行設定系統環境參數檔調控植物生長 環境，如圖 18 為設定每日燈照時段。網站分頁提供歷史紀錄，使用 者根據不同日期以及感測器追蹤過去歷史紀錄的數據資料，統計植物 周遭環境的變化情形，如圖 19、圖 20 所示。 網站 • 統計最近十小時環境數 據變化圖 • 使用者歷程記錄，追蹤 過去資料數據分析圖 • 使用者監控服務，設定 植物環境參數進行調控 APP • 診斷目前植物生長環境 狀資訊 • 顯示最近七小時環境數 據變化圖 • 提供使用者彈性修改植 物所需環境參數進行調 控
- 28. 26 圖 14 網站首頁 圖 15 設定照明時段
- 29. 27 圖 16 歷史紀錄查詢 圖 17 歷史紀錄分析圖
- 30. 28 5-3 手機 App 圖 18 檢視頁面 圖 19 圖表頁面-1
- 31. 29 圖 20 圖表頁面-2 圖 21 圖表頁面-日期設定
- 32. 30 圖 22 圖表頁面-時間段設定 圖 23 設定頁面
- 33. 31 圖 24 設定頁面-設定日溫 圖 25 設定頁面-修改成功時
- 35. 33 參考文獻 [1] 善用物聯網監控平台 提升植物工廠產能。取自 https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130&id=0000414263_1 D03JHZM5P88LW4LJQF7B [2] 掌握關鍵技術，智慧設計植物工廠。取自 https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130&id=0000381724_V IH6XJBV3MEE4Q3RIFZJP [3] 物聯網技術大解剖。取自 https://www.ithome.com.tw/news/90461 [4] 物聯網工廠應用於植物創新應用。取自 https://www.gs1tw.org/twct/gs1w/pubfile/2012_Winter-p36-44_R.pdf [5] 從網際網路到物聯網。取自 http://epaper.gotop.com.tw/pdf/AEN002900.pdf [6] 露點溫度計溼度計製作。取自 http://ohiyooo2.pixnet.net/blog/post/398343103-%E9%9C%B2%E9%BB %9E%E6%BA%AB%E5%BA%A6%E8%A8%88%E6%BF%95%E5%BA%A6 %E8%A8%88%E8%A3%BD%E4%BD%9C-%5Barduino%5D-dht11%2C-d ht22 [7] 土壤相對溼度、土壤水分儲含量計算公式。取自 http://www.soil17.com/news_more/2016.html