摘要

植物工厂是在可控的环境中，全天候地批量生产经济作物。近年来，植物工厂 (Plant Factory) 的技术研究在已开发国家受到高度重视，各国企业与各地政府都投入大量资源进行研究。完全人工监控型植物工厂在全球正逐步形成士、农、工、商融合的新产业，其中就环境控制就需要涉及到十二大系统:发电系统、环境闭锁密封系统、人工补光系统、微喷加湿系统、空气回圈流通系统、二氧化碳补充系统、物理杀菌系统、温度控制系统、立体式栽培系统、视频监控图像传送系统、电脑远端控制系统、废物的再回圈利用系统等；这复杂系统中必须要有一个【金头脑】来统合指挥、管理、通讯与创建新知识。本作品要为植物工厂设计一个金头脑。现在智慧型手机与行动上网相当普遍，几乎人手一机，本作品将与无线3G连结做远端网路监控，即便出门在外，也能办农事。

本作品利用盛群半导体推出的新一代32-bit微控制器HT32F1765作为植物工厂控制系统的主要核心。 HT32F1765是一款32-bit高效率、低价位，在市场竞争上，可完全取代旧式的控制系统。运用其丰沛的硬体资源，搭配高效率的软体程式，大幅提升了使用者的弹性运用，让管理者可以依作物生长需求，作各种最佳的设定。本作品具有远端的控制及视讯，可以让我们在本地端或是远端（远端可为手机或是Android 嵌入式平台）藉由无线3G、WiFi 或是有线上网，可以全面化的了解资讯进而掌控全局，使其能更有效率及更人性化地与科技结合。配合RELAY控制与空气品质、温度、湿度感测器，利用WIFI网路与电脑端作传输与接收，只要携带行动通信装置即可完成设备控制与环境数值维持，还可全程记录作物生长之记录功能，储存至云端。更能提供研究单位使用，准确的记录作物的成长过程，作为实验数据，进而发现新的植物生理与栽培技术，取得新专利与智慧财产权。本产品是目前农业市场的新技术发掘、量产及品质控管不可或缺的新利器。

前言

创作动机

人口暴增、粮食短缺与全球暖化现象造成可耕地面积大减与农粮短缺等浩劫。农业科技化近而提高单位面积产能已成为研究发展的关键。传统农业靠天吃饭，产量与市场价格成为绝对的关系。季节限制作物，加上病虫害，影响产质与产量甚巨。植物工厂可代替露地栽培，不受自然灾害及暖化等影响，供给高品质、安全、安心的农作物。远端监控环境因素(光质、光量、光强、光周期、温度、湿度、二氧化碳浓度…等等)，不仅能有效率的控制植物生长，并即时监看环境变化。本作品依照各个需求，做出相对应的功能与设计。

创作目的

未来的植物工厂皆是伴随社区发展而存在的(例如：区里活动中心就是植物工厂所在)。在上、下游分工的原则下，所有分布式社区植物工厂的光控程序均接受上游实验室的控制与指导。每个系统的主要任务是接受上游实验室所传来的生长控制数据，再依这些数据分别一一去控制整个生长环境。本创作目的是要设计一个植物工厂的金头脑，以IT技术为核心，连结植物工厂与社区，形成新农业的经济型态。

创意产品特色

本创意产品的特色是以HT32F1765作为系统控制与人机介面的主要核心，配合LED控制，环境控制系统，利用WIFI网路与智慧型手机端作传输与接收。并配置多组网路摄影机，与上述功能做结合，即可完成远端监控的平台。环控参数是属于各实验室的智慧财产权，而本创意产​​品就是植物工厂职务执行的代理者(Agent)。

工作原理

本产品使用的MCU为HT32F1765，它是以ARM Cortex-M3为核心的32-bit微控制器。

由于Cortex-M3整合即时作业系统具有高效能、低功耗以及低价位的特性。因此本产品最主要的特色是将uCOS-II及时作业系统(RTOS)运用在其中，并整合其排程来完成各项功能，有效的发挥。本产品的专业工作线程共有设计五个线程：

1.RTC线程(含RELAY通道控制) 。

2.LCD画面处理线程。

3.LCD触控线程(SPI)。

4.A/D转换线程 。

5.WI-FI 网路线程

HT32F1765是个多才多艺的MCU,将好的演算法加诸其上,可以有效增加产品的附加价值,并爆发其市场竞争力。

RTC设计

在RTC设计方面，本产品使用的是HT32F1765内建RTC，来作为本产品主控端的时间显示功能。

在时间校准方面，是以电脑端的时间为基准，透过RS232传送时间资料来校准，以确保主控端的时间与电脑端无误差。

在与RELAY模组控制搭配方面，当RTC到达一秒时，程式会将清单指标所指向的资料(时间、通道、开关)做一个比对，如果现在时间和资料的时间相等时，代表现在这个时间有要做开或关的动作，再将资料(通道、开关)拿出来控制I/O做相应的动作。

继电器(RELAY)模组控制

在继电器(RELAY)模组控制方面，本产品使用了14组RELAY通道。分别控制14组设备，并配合RTC与FLASH内所储存的植物讯息，来判断哪一组通道的开关。

本产品所呈现的是控制方面的功能。设备模组部分，在未来，可依植物品种的不同，配置不同的种环控设备，来达成完全环控的植物生长环境。

LCD显示与触控

LCM是由SPI通讯介面控制显示。 SPI 是一种四线制串列汇流排介面，可读取元件或写入元件作业。触控方面是用I2C和TSC2007触控IC做沟通，读取触摸在LCM上的座标。

当触碰位置在有效范围内，系统就会做相对应的功能。

类比-数位转换器(ADC)

本产品目前使用了3个A/D转换通道。第一组A/D用来读温度Sensor，经运算取样8次后做一个平均值，作为当下的温度。第二组A/D用来读取环境空气品质，可以侦测当下空气品质的优劣，并采取相对应的控制。第三组A/D用来读取湿度Sensor，直接将读到的值透过程式运算，转换成相对应的环境湿度。

在每个时段内，MCU皆会统计出该时段的最高值与最低值，并传送至电脑端作记录。

本产品目前为了展示。只配有三种装置控制，而外备有控制脚位，使用者实际使用时，可以因需求加装其他外部装置。

WI-FI网路传输(RS232)

WI-FI网路传输是利用WI-FI网路模组来做沟通桥梁，使用者可以远端监控植物工厂的任何情况。用RS232的方式。

总共设30组BUFFER，一组有10位元组(10 Bytes)，共300 Bytes。各组资料里的最高位元为有效位元是和资料种类位元作逻辑运算。当有扫描到有效资料时，程式会先将有效位元去除，再根据资料种类做资料处理。

以下为每个Bytes所代表的资料种类:

(A) 当收到开头码为0X7A 、0X01时，代表此时主控端要求与电脑端在做时间校准的动作。

(B) 当接收到开头码为0X7A、0X02时，代表这组资料是用来设定植物的所有资讯(通道开关时间、所需环境数值)，当接收完所有清单的资料，经过排序就回存到FLASH里。

(C) 当收到的开头码为0x7A、0X03时，表示电脑端要求传输，当下的环境数值与当时段所统计到的最高值与最低值，并回传数值至电脑端。

MCU核心功能

本组采用HT32F1765作为核心MCU，基于其高效能、​​低功率的特性，运用于金头脑控制上，在未来更能降低成本。再加上HT32F1765内建Flash容量为128K Bytes，SRAM则为32K~64K Bytes。全系列皆具备了全新设计的12通道PDMA，配有8通​​道12-bit 1Msps的高速ADC，提供系统更高效能的应用方式。

HT32F1765在本产品里主要担任运算整合以及人机介面主体的角色，使用其多组A/D转换通道，来针对各种环境数值做精准的侦测。本产品也运用了MCU其中一组SPI及来驱动触控型LCM面板，来实现一个完善的人机介面。

在RELAY模组控制方面，使用14支GPIO脚位，分别来控制14组RELAY模组。另外，本产品还使用了HT32F1765里设有的USART功能，来与WIFI网路模组端做资料传输。使用者可从电脑端建立资料，透过网路传输至主控端，也可记录主控端所侦测到的所有环境数值，储存并加以统计，做为以后实验与研究的数据。

产品结构

本产品结构主要就软、硬体两大部份分别讨论。本部份主要阐明MCU HT32F1765在电路中与各大系统的相互关系，利用其电路接脚配置说明以描述硬体。再透过系统流程图与程式演算法，借此说明系统之软体设计概念。

硬体结构

本系统采用一颗 Holtek –HT32F1765来当作系统主控制机；分配本系统所需进行工作。令HT32F1765微控制器之众I/O各司其职，从事特定工作。

以SPI_0(PORT D之0、1、2、3脚位)来驱动LCM显示。 I2C_1(PORT C之6、7脚位)作为触控感测。结合出完整的人机触控介面。 PORT A之0、1、2脚位分别作为温、湿、空气品质感测器的传输脚。另外，有新增预备传输脚PORT C之0、1、2、3脚位则作为外部FLASH之传输脚。在USART传输方面是以PORT C之8、10脚位作为传输脚。 PORT E全部脚位当作LED模组控制脚位。 (如图一)

图一 : MCU脚位分配图

图二为本产品之硬体方块图。本产品在硬体部分，使用240X320画素的触控LCM作为人机介面控制。在控制系统方面，目前配有三个A/D转换通道，分别是温、湿、空气品质感测电路；本产品可依使用厂商需求，而外加装三组以上的外部装置。

图二 : 硬件方块图

温、湿感测模组电路

本产品使用HSM-20G作为温度及湿度感测IC，搭配硬体电路(如图三)，完成温湿度感测模组。选择HSM-20G作为感测器，在于该感测器在数值侦测​​上，有较高的精密度，这在植物的栽培方面，是最重要的一个环节。

HSM-20G的脚位配置，如图所示，分别有1~4支脚位，第一支脚为Temperature Output、第二支脚为GND、第三支脚为Humidity Output、第四支脚为Vcc(5V)。

图三 : 温湿传感器电路图

空气品质感测模组电路

Sensor经模组电路输出的电压，读到的值，会换成标准值做一个比较、运算，以百分比的方式呈现。 50%代表空气普通，比率越高代表有害气体浓度越高、空气品质越差。换言之，比率越低代表有害气体浓度越低、空气品质越佳。电路图如图四所示。

图四 : 空气质量感测电路

继电器(RELAY)模组电路

本产品所设计的RELAY模组，共分14组。分别由HT32F1765之PE脚位来控制，配合RTC与FLASH内部资料的比对，来判断哪一组光照模组该开启或关闭。硬体电路图如图五所示。

图五 : RELAY模块电路图

触控LCD模组

在LCM控制方面，本组利用HT32F1765里面提供的SPI介面与介面来操控。 SPI介面用来控制画面的清除和显示。触控部分，我们利用中断和来读取被触摸的座标。每当有触摸到LCM时，TSC2007触控IC就会发送一个中断讯号给HT32F1765，当HT32F1765接收到这个中断讯号，MCU就会利用介面依续读取X、Y、Z座标。

软体系统

本产品在HT32F1765上挂载最小型uCOS-II的即时作业系统(RTOS)，使得整个产品的性能加倍，足以取代许多旧式的控制器，使产品的性价比提升。

LCD画面处理线程

LCM画面处理线程之流程图如图六所示。此线程主要设计LCM的介面配置。开机时，便会进入初始化程序。初始化程序第一步先将按键的座标与图型设定，再接着绘制其他文字座标。初始化完成后，执行画面的扫描，当有按键被点击时，MCU便会判断哪一按键被触发，并执行该按键所属的功能。

LCM扫描速度大约在40ms~60ms之间，画面不会出现延迟现象。由于按键和部分文字不在扫描刷新的范围内，这让整个画面看起来一直在动作，且不会因为过度刷新而造成系统的负担。

图六 : LCM线程流程图

LCM 触控线程

进入触控线程后，会进入中断将TP值状态改为1，改变完后当再跳回线程，则读取X座标。读取完后，再跳中断，将TP值改变为2，同理，当改变完在跳回线程时，则读取Y座标值。读取Z座标的过程也与上上列作法相同。

当所有座标都读取完成后，在与所有按键范围值做比对，如在按键范围内，则立起该按键旗标。

LCM触控线程主要是读取触控的X、Y、Z座标，并且判断该座标是否有在按键的范围内，如果有立起该按键旗标。

A/D转换线程

在此线程下，系统主要的工作为A/D数值的转换。本产品目前使用三个A/D转换通道，分别为温度、湿度、空气品质的感测。

在A/D转换完后，经程式运算，透过各别的演算法，将A/D数值转乘当下的环境数值，并同时运算出该时段下的最大值与最小值，传至电脑端做数据纪录。

本产品除了上述的三个通道外，还有预备五个A/D通道，提供使用者在高端使用时可以扩充功能，使用上的弹性大幅增加。

WIFI网路控制线程

在此线程内的主要任务，在于与网路端做传输，系统开始执行时，先初始化WI-FI内部设定，连接上网路分享器。资料传输的过程，先读取USART_BUFFER内部的资料，再将资料做判读选择，判断其开头码，是否为有效码，如为有效码，再判断该资料类型，做解读动作，流程图如图七。

图七 : WI-FI网络线程流程图

RTC线程

在RTC线程内，主要做时间的处理，计时并且储存在PWRCU_BAKREG_0暂存器里面。该暂存器只要有电池在就不会因关机而损失资料。另外除了时间的处理，还有LED的控制，只要时间符合设定时间，就会执行该光照通道ON/OFF的动作。

最后做的就是环境数值的传送，每到10分钟就会传送现在当下的环境数值。每过1小时就会传送该小时内环境数值的最大最小值。流程图如图八。

图八 : RTC线程流程

测试方法

本作品为一农业控制装置，为配合特定厂商与使用者使用。在测试的部分，分为两个区块，第一区块为测试RELAY控制模组，第二区块为WIFI网路模组。下列即为本设备重要功能之测试报告。

硬体介绍

本组使用HT32F1765的开发板，搭配温湿、空气品质感测器、RELAY模组与WIFI模组，来完成此次的创意产品。实体图如图九所示。

图九 : 产品实体图

RELAY模组控制测试

本组RELAY模组的测试方法，是以实机操作来做测试，先设定好清单，将要点亮的光照通道，依时序排出。在实际测试后，RELAY通道也如时的点亮(图10)，此测试实验，完整呈现出本产品的RELAY模组功能是能成功运行。

图十 : 信道列表与RELAY测试图

WI-FI网路传输模组

在WIF网路模组测试方面，本组使用Visual C#与Android App来完成电脑端与手机端的网路监控程式。

经由连接上Internet，在与主控端的WIFI网路模组作连接。当与主控端成功连结时，便会传送一个讯号给主控端，主控端会显示”OK”符号，并回传同一讯号，电脑端接收到讯号，会显示”连接成功”，当两边都显示符号时，代表WIFI网路已经成功连接。当电脑端与主控端在连接成功后，也能确实的将清单资料，完整无误的传送到主控端作储存并使用。

结论与讨论

经由一系列的测试与实验结果，一套以「高效能」、「低功率」与「人性化」为特点的农业用远端控制系统已成功被开发。透过HT32F1765的丰沛硬体资源及搭配各种模组的精巧控制与手机APP结合，实际完成了一个非常完善的高效能植物工厂金头脑。

此产品结合了网路摄影机功能，管理者可以透过网路摄影机，就可对种植区做即时管理与监控。在未来，农夫只需要在家，打开电脑或手机就能开始耕种。此项产品将会对农业市场掀起一场革命性的改变，经济效益无可限量。 （本文作者汪启茂教授、郑任皓、许哲豪、吴博瑞、陈俊儒于义守大学电子工程学系）

参考资料

1.http://www.holtek.com/pdf/consumer/622xav120.pdf

2.http://www.holtek.com.tw/mcugame7/download/paper/HT32F17x5.pdf

3.http://www.holtek.com.tw/mcugame7/download/other/HT32.pdf