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本文為植物工廠監控系統研發，主要目的透過電 腦或手機遠端監控植物生長所需光源、養分與水分， 植物工廠監控部份是使用 Arduino Mega 2560 控制板 為核心，主要是接收感測器所測量的參數，回傳至個 人電腦，以決定要如何動作，並將資料存至 SQL 資 料庫供日後研究，系統監控介紹說明如下：利用光強 度感測模組監測光照度（LUX），並控制 LED 燈板的 照射時間以達到最佳的光照度；利用 EC 與 PH 值檢 測模組，監測電導（EC）值、酸鹼（PH）值，若水 質未達所需數值時，則控制微型抽水馬達的啟動時 間，達成定量營養液添加，維持植物所需的養分。 電腦部分利用 C# 程式語言撰寫人機介面，手機 部分利用 Android Studio 軟體開發 APP，而 Arduino 控制器是利用 C 程式語言來撰寫。另外利用 Kinect 體感感測器部分，製作生長縮時攝影，讓使用者能觀 察植物生長情形。ᙯᔣෟĈArduino Mega 2560 控制板、EC 與 PH 值、
SQL 資料庫、Kinect 體感感測器
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全球人口快速增加與氣候異常，糧食短缺問題勢 必要面對，但全球可以耕種的農地幾乎都已開發，因 此植物工廠成為解決糧食危機的重要關鍵，目前植物 工廠以荷蘭、日本發展最佳，以荷蘭的植物工廠來 說，多以栽種花卉、香草為主，荷蘭多數的植物工廠 仍以陽光型為主，但因高緯度的地理位置，晝短夜 長，多採用高壓鈉燈進行補光。而日本的植物工廠和 台灣較相近，大部分都是以水耕種植蔬菜為主，採用 LED 燈照明。 由於近幾十年臺灣氣候變遷、都市化以及工廠排 放廢水汙染農地，加上泥沙淤積形成的海埔新生地， 所以植物工廠是一種趨勢，養殖的作物都是無污染， 能在都市大樓中進行養殖。由於植物工廠是採用水耕 栽種，所以光源及養分需要精密的調節，而且在量產 過程中的人事成本必定增加，因此需要一套自動化監 控系統 貳、學理基礎 本文主要植物工廠監控系統研發，需要整合六大 技術領域才能完成，如圖一。茲簡述個別技術之學理 如下： 1.軟體應用設計技術： A.採用 Visual C#語言來開發人機操作介面程式。 B.採用Android Studio（Java）軟體來開發手機操作 介面程式。 C.採用C++語言開發 Arduino Mega 2560控制板程 式。 2.植物種植技術：植物工廠成功與否，主要是植物種 植生長要素控制相關技術，包括選種、日照、溫濕 度、養分與二氧化碳濃度等等。 3.微處理器應用設計技術：採用 Arduino 控制器，接 1 亞東技術學院電機系 * 通訊作者：許文昌 E-mail：fe026@mail.oit.edu.tw收感測器資料與動作命令，再依動作命令控制周邊 的電子電路動作。 4.資料通訊應用設計技術：利用 Wi-Fi 無線通訊方式 來達成個人電腦、手機與 Arduino 控制器之間的通 訊。 5.感測器應用設計技術：利用光強度感測模組監測光 照度（LUX）；利用水位感測器感測水位高度；利 用 EC 與 PH 值檢測模組，監測電導（EC）值、酸 鹼（PH）值；利用 Kinect 體感感測器，捕捉彩色 與深度影像資料。 6.系統控制技術：系統控制部分包括水位控制、照度 控制與營養分控制等等。 ဦ˘ ങۏ̍ᇄႾଠրࡁ൴ፋЪဦ 參、主題內容 植物工廠監控架構如圖二所示，主要目的透過電 腦或手機遠端監控植物生長所需光源、養分與水分， 植物工廠監控部份是使用 Arduino Mega 2560 為核 心，主要是接收感測器所測量的參數，回傳至個人電 腦，以決定要如何動作，並將資料存至 SQL 資料庫 供日後研究，感測器的介紹說明如下：利用光強度感 測模組監測光照度（LUX），並控制 LED 燈板的照射 時間以達到最佳的光照度；利用 EC 與 PH 值檢測模 組，監測電導（EC）值、酸鹼（PH）值，若水質未 達所需數值，控制微型抽水馬達的啟動時間，達成定 量營養液添加，維持植物所需的養分。 ဦ˟ăങۏ̍ᇄႾଠߛၹဦ
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植物工廠監控系統建構，須結合硬體與軟體，說 明如下： 1. ർវొ̶Β߁ A. Arduino Mega 2560 ଠטڕ Arduino Mega 2560 控制板，如圖三所示，主要 是接收感測器所測量的參數，回傳至個人電腦或手 機，以決定要如何動作，包括水位控制、照度控制與 營養分控制等等。 ဦˬ Arduino Mega 2560 ଠטڕB. HLK-RM04 Wi-Fi ሀ HLK-RM04 Wi-Fi 模組，是一個可支援 AP（無 線接入點）、Client（無線用戶端）、Repeater（無線中 繼）、Bridge（無線橋接）與 Router（無限路由）的 模組，主要使用於 PC 端與 Arduino 的無線傳輸與接 收，如圖四所示。 ဦα HLK-RM04 Wi-Fi ሀ C. Kinect វຏຏീጡ 本文使用到近期很熱門的機器，即微軟所開發的 Kinect，主要使用 RGB 和 3D 深度攝影的功能，幫助 我們 24 小時都能觀察植物生長情形，白天使用 RGB，晚上則為 3D 深度攝影，如圖五。 ဦ̣ Kinect វຏຏീጡ D. LED ፶ڕ 燈面 0 公分到距離 15 公分內 27000~8500 Lux， 有如冬天的太陽亮度，非常適合蔬菜生長，種植任何 蔬菜、瓜果、草藥和花卉都能非常成功，是植物工廠 的神兵利器，LED 燈板，如圖六所示。 ဦ̱ LED ፶ڕ E. ݭ٩ͪ྿ 若 EC 與 PH 值感測器所回傳的數值，不在 PC 端設定範圍，微型抽水馬達將抽取定量營養液，來達 到設定之數值，如圖七。 ဦ˛ ݭ٩ͪ྿ F. 4 ྮᚶጡሀ 用於控制 LED 燈板與微型抽水馬達，因為使用 電壓為 110 伏特，而 Arduino 無法直接控制，如圖八。 ဦˣ 4 ྮᚶጡሀ G. ROHM BH1750FVI ᇴҜЍૻޘຏീሀ 量測植物上所被照射的光強度，光源不足時將調 整燈板的相對高度，如圖九。 ဦ˝ ROMH BH1750FVI ͯᇴҜЍૻޘຏീሀ
H. EC ࣃᑭീഔሀ 量測植物所需養分之一，將其所測量的數值傳回 Arduino，EC 值的意義代表在一定體積內溶液內離子 的導電能力，可移動而且帶正負電的離子愈多，電阻 就愈小，導電能力愈強，因此 EC 值就愈高。如圖十。 ဦȈ EC ࣃᑭീഔሀ I. PH ࣃᑭീഔሀ 量測植物所需養分之一，將其所測量的數值傳回 Arduino，養分的移動能力被介質中的 pH 值所影響。 尤其對微量元素的影響最大，PH 值如果太低，這些 微量元素的移動性更大，因此植物吸收量增加，超過 了植物之所需，也因此造成傷害。如果 PH 值太高， 微量元素之活動性不足，植物之吸收量也因而不足， 造成微量元素缺乏。如圖十一所示。 ဦȈ˘ PH ࣃᑭീഔሀ J. ͪҜຏീጡ 檢測水位高度，扮演檢測養殖箱水位是否達到需 求，如圖十二。 ဦȈ˟ ͪҜຏീጡ 2. హវొ̶Ăᄲځт˭ 本文主要是以 C#、C++語言及 Java 來撰寫，分 別介紹如下： A. Visual Studio C#హវֹϡ̬ 使用 Visual Studio 並以 C#撰寫 PC 端人機介ࢬă ᒺॡᛷᇆᄃྤफ़ऱĂPC ბˠ̬፟ࢬёΑਕࠎ定時攝 影，可將照片存至電腦，同時呼叫 Arduino 傳回的參 數並存至資料庫，程式流程圖如圖十三所示。 ဦȈˬ PC ბˠ̬፟ࢬ߹ဦ
縮時攝影程式功能為觀看植物生長歷程，並可查 詢資料庫所記錄的參數，程式流程圖如圖十四所示。 ဦȈα ᒺॡᛷᇆё߹ဦ B. Arduino హវֹϡ̬ Arduino 是一塊基於開放原始碼發展出來的 I/O 介面控制板，使用 C++語言書寫程式，Arduino 功能 是接收 PC 或手機端下達的命令來檢測 EC 值、PH 值、LUX 值、照度值，並控制 LED 燈板亮滅時間， 讓植物得到所需光源，並依據植物的習性來改變植物 照射時間；控制微型抽水馬達起動並依照需求控制運 轉時間，達成定量營養液添加，以維持植物所需的養 分，程式流程圖如圖十五所示。 ဦỊ̏ Arduino Server ତќ̈́൴ਖ਼ё߹ဦ C. ፟͘ APP హវֹϡ̬
Android Studio 是針對 Android 手機開發者的所 開發的 IDE 環境，使用 Java 語言，Android 手機 APP 即是以此撰寫而成，手機 APP 功能是透過 Wi-Fi 來 接收 Arduino 所回傳資料或下指令給 Arduino 檢測 EC 值、PH 值、LUX 值來達到遠端控制功能如圖十六所 示。 ဦȈ̱ ፟͘ APP ё߹ဦ
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本文完成之成果包含 Kinect 拍照介面、縮時攝影 介面、手機 APP 人機介面及養殖作物採收，PC 端功 能可設定連接 IP、監控拍照日期與栽種設定、檢視資 料庫、使用縮時攝影與控制植物所需環境。 1. PC ბˠ̬፟ࢬ 程 式開始執行 後，會 到 CAMERA 介面 連結 Kinect 並顯示目前量測的值，如圖十七所示。 ဦȈ˛ PC ბˠ̬፟ࢬ(˘)點選 PLANT 時，可進行監控拍照日期與栽種的 選擇，藉此來進行植物種類進行分類如圖十八所示。 ဦȈˣ PC ბˠ̬፟ࢬ(˟) 點選 CONTROL 可進行植物所需光源與養分設 定，燈泡為燈板啟動時間，若按下燈泡按鈕，可切換 為燈板關閉時間。EC 圖式左右兩數值為養分維持範 圍，若養分不足則會啟動抽水馬達添加培養液以達到 設定範圍之值。Catch Time 為將量測的數據與拍攝的 照片，存至資料庫的間格時間如圖十九示。 ဦȈ˝ PC ბˠ̬፟ࢬ(ˬ) 2. ᒺॡᛷᇆё̬ࢬᄃྤफ़ऱ 點選 DATABASE 後，可選擇資料路徑並選擇所 要觀看的資料，可顯示拍照日期、時間、EC、PH、 LUX、溫度與照片如圖二十所示。 ဦ˟Ȉ ྤफ़ऱᑭෛ 按下資料庫右上角的時鐘按鈕，可進到縮時攝影 程式介面。按下播放鍵可將所選擇之路徑下照片做成 縮時攝影，並將應對的資料繪畫成圖形來進行分析， 來達到植物產量最佳化如圖二十一所示。 ဦ˟Ȉ˘ ᒺॡᛷᇆё̬ࢬ 3. ፟͘ APP ˠ̬፟ࢬ 透過手機直接控制植物所需養分，並可依據植物 所需環境來做調整如圖二十二與二十三所示。 ဦ˟Ȉ˟ ፟͘ APP ˠ̬፟ࢬ(˘) ဦ˟Ȉˬ ፟͘ APP ˠ̬፟ࢬ(˟)
4. ങۏ̍ᇄႾଠրർវ၁វ
硬體整合的實體如圖二十四與二十五，包括控制 器核心 Arduino Mega 2560 模組、HLK-RM04 Wi-Fi 模組、4 路繼電器模塊與感測器模組。 ဦ˟Ȉα ർវ၁វϒෛဦ ဦ˟Ị̏ ർវࢼෛဦ 圖二十六和二十七為植物工廠圖，圖二十六為植 物工廠內部圖；圖二十七為植物工廠培養箱外觀 ဦ˟Ȉ̱ ങۏ̍ᇄ̰ొဦ ဦ˟Ȉ˛ ങۏ̍ᇄૈዳቐγ៍ 5. үۏଳќ 熟悉基本操作前，以萵苣或菠菜進行栽種，並開 始收集高經濟作物所需環境的資料與撰寫程式，熟悉 操作後，所培養的成果有冰花、番茄和草莓等高經濟 作物，未來將以培養中藥藥材為目標發展。 圖二十八為植物開始種植第 6 天生長情形；圖二 十九為第 12 天生長情形；圖三十為第 21 天生長情 形；圖三十一為第 28 天生長情形。 ဦ˟Ȉˣ ௐ 6 ͇Ϡܜଐԛ ဦ˟Ȉ˝ ௐ 12 ͇Ϡܜଐԛ
ဦˬȈ ௐ 21 ͇Ϡܜଐԛ ဦˬȈ˘ ௐ 28 ͇Ϡܜଐԛ 本文以植物工廠自動化監控為目標，PC 端部分 是以 Kinect 拍攝照片，同時將 Arduino 回傳的數據儲 存到 SQL（資料庫），之後可讀取 SQL 裡的數據與 照片，製作成縮時攝影及圖表，以便觀察並分析，讓 產量與成本最佳化；手機 APP 及電腦端採用 Wi-Fi 與 Arduino 控制板進行傳輸，借此來達成遠端監控； 以 C#來書寫 PC 端人機介面與 C++來書寫 Arduino 控制器程式，主要是控制 LED 燈板照射時間與微型 抽水馬抽取培養液的啟動時間，維持植物所需光源及 養分，目的主要是能夠遠端監控植物生長，並使植物 生長不受季節影響及提供穩定作物產量。 ७γᚮᔈјڍт˭Ĉ 103 教學年度全國大學校院智慧電子創新應用與設計 競賽 3C 電子創意組佳作
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