植物生長環境自動監測與控制系統.docx
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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。
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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
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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
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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
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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
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表目錄
表 1 T8 LED 距離對單位接收光照度的影響........................ 19
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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]。
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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
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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
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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
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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。
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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),。
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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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