摘要

植物工廠是在可控的環境中，全天候地批量生產經濟作物。近年來，植物工廠 (Plant Factory) 的技術研究在已開發國家受到高度重視，各國企業與各地政府都投入大量資源進行研究。完全人工監控型植物工廠在全球正逐步形成士、農、工、商融合的新產業，其中就環境控制就需要涉及到十二大系統:發電系統、環境閉鎖密封系統、人工補光系統、微噴加濕系統、空氣迴圈流通系統、二氧化碳補充系統、物理殺菌系統、溫度控制系統、立體式栽培系統、視頻監控圖像傳送系統、電腦遠端控制系統、廢物的再迴圈利用系統等；這複雜系統中必須要有一個【金頭腦】來統合指揮、管理、通訊與創建新知識。本作品要為植物工廠設計一個金頭腦。現在智慧型手機與行動上網相當普遍，幾乎人手一機，本作品將與無線3G連結做遠端網路監控，即便出門在外，也能辦農事。

本作品利用盛群半導體推出的新一代32-bit微控制器HT32F1765作為植物工廠控制系統的主要核心。HT32F1765是一款32-bit高效率、低價位，在市場競爭上，可完全取代舊式的控制系統。運用其豐沛的硬體資源，搭配高效率的軟體程式，大幅提升了使用者的彈性運用，讓管理者可以依作物生長需求，作各種最佳的設定。本作品具有遠端的控制及視訊，可以讓我們在本地端或是遠端（遠端可為手機或是Android 嵌入式平台）藉由無線3G、WiFi 或是有線上網，可以全面化的了解資訊進而掌控全局，使其能更有效率及更人性化地與科技結合。配合RELAY控制與空氣品質、溫度、溼度感測器，利用WIFI網路與電腦端作傳輸與接收，只要攜帶行動通信裝置即可完成設備控制與環境數值維持，還可全程記錄作物生長之記錄功能，儲存至雲端。更能提供研究單位使用，準確的記錄作物的成長過程，作為實驗數據，進而發現新的植物生理與栽培技術，取得新專利與智慧財產權。本產品是目前農業市場的新技術發掘、量產及品質控管不可或缺的新利器。

前言

創作動機

人口暴增、糧食短缺與全球暖化現象造成可耕地面積大減與農糧短缺等浩劫。農業科技化近而提高單位面積產能已成為研究發展的關鍵。傳統農業靠天吃飯，產量與市場價格成為絕對的關係。季節限制作物，加上病蟲害，影響產質與產量甚鉅。植物工廠可代替露地栽培，不受自然災害及暖化等影響，供給高品質、安全、安心的農作物。遠端監控環境因素(光質、光量、光強、光週期、溫度、濕度、二氧化碳濃度…等等)，不僅能有效率的控制植物生長，並即時監看環境變化。本作品依照各個需求，做出相對應的功能與設計。

創作目的

未來的植物工廠皆是伴隨社區發展而存在的(例如：區里活動中心就是植物工廠所在)。在上、下游分工的原則下，所有分佈式社區植物工廠的光控程序均接受上游實驗室的控制與指導。每個系統的主要任務是接受上游實驗室所傳來的生長控制數據，再依這些數據分別一一去控制整個生長環境。本創作目的是要設計一個植物工廠的金頭腦，以IT技術為核心，連結植物工廠與社區，形成新農業的經濟型態。

創意產品特色

本創意產品的特色是以HT32F1765作為系統控制與人機介面的主要核心，配合LED控制，環境控制系統，利用WIFI網路與智慧型手機端作傳輸與接收。並配置多組網路攝影機，與上述功能做結合，即可完成遠端監控的平台。環控參數是屬於各實驗室的智慧財產權，而本創意產品就是植物工廠職務執行的代理者(Agent)。

工作原理

本產品使用的MCU為HT32F1765，它是以ARM Cortex-M3為核心的32-bit微控制器。

由於Cortex-M3整合即時作業系統具有高效能、低功耗以及低價位的特性。因此本產品最主要的特色是將uCOS-II及時作業系統(RTOS)運用在其中，並整合其排程來完成各項功能，有效的發揮。本產品的專業工作線程共有設計五個線程：

1.RTC線程(含RELAY通道控制) 。

2.LCM畫面處理線程。

3.LCM觸控線程(SPI)。

4.A/D轉換線程 。

5.WI-FI 網路線程

HT32F1765是顆多才多藝的MCU，將好的演算法加諸其上，可以有效增加產品的附加價值，並爆發其市場競爭力。

RTC設計

在RTC設計方面，本產品使用的是HT32F1765內建RTC，來作為本產品主控端的時間顯示功能。

在時間校準方面，是以電腦端的時間為基準，透過RS232傳送時間資料來校準，以確保主控端的時間與電腦端無誤差。

在與RELAY模組控制搭配方面，當RTC到達一秒時，程式會將清單指標所指向的資料(時間、通道、開關)做一個比對，如果現在時間和資料的時間相等時，代表現在這個時間有要做開或關的動作，再將資料(通道、開關)拿出來控制I/O做相應的動作。

繼電器(RELAY)模組控制

在繼電器(RELAY)模組控制方面，本產品使用了14組RELAY通道。分別控制14組設備，並配合RTC與FLASH內所儲存的植物訊息，來判斷哪一組通道的開關。

本產品所呈現的是控制方面的功能。設備模組部分，在未來，可依植物品種的不同，配置不同的種環控設備，來達成完全環控的植物生長環境。

LCM顯示與觸控

LCM是由SPI通訊介面控制顯示。SPI 是一種四線制串列匯流排介面，可讀取元件或寫入元件作業。觸控方面是用I2C和TSC2007觸控IC做溝通，讀取觸摸在LCM上的座標。

當觸碰位置在有效範圍內，系統就會做相對應的功能。

類比-數位轉換器(ADC)

本產品目前使用了3個A/D轉換通道。第一組A/D用來讀溫度Sensor，經運算取樣8次後做一個平均值，作為當下的溫度。第二組A/D用來讀取環境空氣品質，可以偵測當下空氣品質的優劣，並採取相對應的控制。第三組A/D用來讀取溼度Sensor，直接將讀到的值透過程式運算，轉換成相對應的環境溼度。

在每個時段內，MCU皆會統計出該時段的最高值與最低值，並傳送至電腦端作記錄。

本產品目前為了展示。只配有三種裝置控制，而外備有控制腳位，使用者實際使用時，可以因需求加裝其他外部裝置。

WI-FI網路傳輸(RS232)

WI-FI網路傳輸是利用WI-FI網路模組來做溝通橋梁，使用者可以遠端監控植物工廠的任何情況。用RS232的方式。

總共設30組BUFFER，一組有10位元組(10 Bytes)，共300 Bytes。各組資料裡的最高位元為有效位元是和資料種類位元作邏輯運算。當有掃描到有效資料時，程式會先將有效位元去除，再根據資料種類做資料處理。

以下為每個Bytes所代表的資料種類:

(A) 當收到開頭碼為0X7A 、0X01時，代表此時主控端要求與電腦端在做時間校準的動作。

(B) 當接收到開頭碼為0X7A、0X02時，代表這組資料是用來設定植物的所有資訊(通道開關時間、所需環境數值)，當接收完所有清單的資料，經過排序就回存到FLASH裡。

(C) 當收到的開頭碼為0x7A、0X03時，表示電腦端要求傳輸，當下的環境數值與當時段所統計到的最高值與最低值，並回傳數值至電腦端。

MCU核心功能

本組採用HT32F1765作為核心MCU，基於其高效能、低功率的特性，運用於金頭腦控制上，在未來更能降低成本。再加上HT32F1765內建Flash容量為128K Bytes，SRAM則為32K~64K Bytes。全系列皆具備了全新設計的12通道PDMA，配有8通道12-bit 1Msps的高速ADC，提供系統更高效能的應用方式。

HT32F1765在本產品裡主要擔任運算整合以及人機介面主體的角色，使用其多組A/D轉換通道，來針對各種環境數值做精準的偵測。 本產品也運用了MCU其中一組SPI及來驅動觸控型LCM面板，來實現一個完善的人機介面。

在RELAY模組控制方面，使用14支GPIO腳位，分別來控制14組RELAY模組。另外，本產品還使用了HT32F1765裡設有的USART功能，來與WIFI網路模組端做資料傳輸。使用者可從電腦端建立資料，透過網路傳輸至主控端，也可記錄主控端所偵測到的所有環境數值，儲存並加以統計，做為以後實驗與研究的數據。

產品結構

本產品結構主要就軟、硬體兩大部份分別討論。本部份主要闡明MCU HT32F1765在電路中與各大系統的相互關係，利用其電路接腳配置說明以描述硬體。再透過系統流程圖與程式演算法，藉此說明系統之軟體設計概念。

硬體結構

本系統採用一顆 Holtek –HT32F1765來當作系統主控制機；分配本系統所需進行工作。令HT32F1765微控制器之眾I/O各司其職，從事特定工作。

以SPI_0(PORT D之0、1、2、3腳位)來驅動LCM顯示。I2C_1(PORT C之6、7腳位)作為觸控感測。結合出完整的人機觸控介面。PORT A之0、1、2腳位分別作為溫、濕、空氣品質感測器的傳輸腳。另外，有新增預備傳輸腳PORT C之0、1、2、3腳位則作為外部FLASH之傳輸腳。在USART傳輸方面是以PORT C之8、10腳位作為傳輸腳。PORT E全部腳位當作LED模組控制腳位。(如圖一)

圖一 : MCU腳位分配圖

圖二為本產品之硬體方塊圖。本產品在硬體部分，使用240X320畫素的觸控LCM作為人機介面控制。在控制系統方面，目前配有三個A/D轉換通道，分別是溫、濕、空氣品質感測電路；本產品可依使用廠商需求，而外加裝三組以上的外部裝置。

圖二 : 硬體方塊圖

溫、濕感測模組電路

本產品使用HSM-20G作為溫度及濕度感測IC，搭配硬體電路(如圖三)，完成溫濕度感測模組。選擇HSM-20G作為感測器，在於該感測器在數值偵測上，有較高的精密度，這在植物的栽培方面，是最重要的一個環節。

HSM-20G的腳位配置，如圖所示，分別有1~4支腳位，第一支腳為Temperature Output、第二支腳為GND、第三支腳為Humidity Output、第四支腳為Vcc(5V)。

圖三 : 溫濕感測器電路圖

空氣品質感測模組電路

Sensor經模組電路輸出的電壓，讀到的值，會換成標準值做一個比較、運算，以百分比的方式呈現。50%代表空氣普通，比率越高代表有害氣體濃度越高、空氣品質越差。換言之，比率越低代表有害氣體濃度越低、空氣品質越佳。電路圖如圖四所示。

圖四 : 空氣品質感測電路

繼電器(RELAY)模組電路

本產品所設計的RELAY模組，共分14組。分別由HT32F1765之PE腳位來控制，配合RTC與FLASH內部資料的比對，來判斷哪一組光照模組該開啟或關閉。硬體電路圖如圖五所示。

圖五 : RELAY模組電路圖

觸控LCM模組

在LCM控制方面，本組利用HT32F1765裡面提供的SPI介面與介面來操控。 SPI介面用來控制畫面的清除和顯示。觸控部分，我們利用中斷和來讀取被觸摸的座標。每當有觸摸到LCM時，TSC2007觸控IC就會發送一個中斷訊號給HT32F1765，當HT32F1765接收到這個中斷訊號，MCU就會利用介面依續讀取X、Y、Z座標。

軟體系統

本產品在HT32F1765上掛載最小型uCOS-II的即時作業系統(RTOS)，使得整個產品的性能加倍，足以取代許多舊式的控制器，使產品的性價比提升。

LCM畫面處理線程

LCM畫面處理線程之流程圖如圖六所示。此線程主要設計LCM的介面配置。開機時，便會進入初始化程序。初始化程序第一步先將按鍵的座標與圖型設定，再接著繪製其他文字座標。初始化完成後，執行畫面的掃描，當有按鍵被點擊時，MCU便會判斷哪一按鍵被觸發，並執行該按鍵所屬的功能。

LCM掃描速度大約在40ms~60ms之間，畫面不會出現延遲現象。由於按鍵和部分文字不在掃描刷新的範圍內，這讓整個畫面看起來一直在動作，且不會因為過度刷新而造成系統的負擔。

圖六 : LCM線程流程圖

LCM 觸控線程

進入觸控線程後，會進入中斷將TP值狀態改為1，改變完後當再跳回線程，則讀取X座標。讀取完後，再跳中斷，將TP值改變為2，同理，當改變完在跳回線程時，則讀取Y座標值。讀取Z座標的過程也與上上列作法相同。

當所有座標都讀取完成後，在與所有按鍵範圍值做比對，如在按鍵範圍內，則立起該按鍵旗標。

LCM觸控線程主要是讀取觸控的X、Y、Z座標，並且判斷該座標是否有在按鍵的範圍內，如果有立起該按鍵旗標。

A/D轉換線程

在此線程下，系統主要的工作為A/D數值的轉換。本產品目前使用三個A/D轉換通道，分別為溫度、濕度、空氣品質的感測。

在A/D轉換完後，經程式運算，透過各別的演算法，將A/D數值轉乘當下的環境數值，並同時運算出該時段下的最大值與最小值，傳至電腦端做數據紀錄。

本產品除了上述的三個通道外，還有預備五個A/D通道，提供使用者在高端使用時可以擴充功能，使用上的彈性大幅增加。

WIFI網路控制線程

在此線程內的主要任務，在於與網路端做傳輸，系統開始執行時，先初始化WI-FI內部設定，連接上網路分享器。資料傳輸的過程，先讀取USART_BUFFER內部的資料，再將資料做判讀選擇，判斷其開頭碼，是否為有效碼，如為有效碼，再判斷該資料類型，做解讀動作，流程圖如圖七。

圖七 : WI-FI網路線程流程圖

RTC線程

在RTC線程內，主要做時間的處理，計時並且儲存在PWRCU_BAKREG_0暫存器裡面。該暫存器只要有電池在就不會因關機而損失資料。另外除了時間的處理，還有LED的控制，只要時間符合設定時間，就會執行該光照通道ON/OFF的動作。

最後做的就是環境數值的傳送，每到10分鐘就會傳送現在當下的環境數值。每過1小時就會傳送該小時內環境數值的最大最小值。流程圖如圖八。

圖八 : RTC線程流程

測試方法

本作品為一農業控制裝置，為配合特定廠商與使用者使用。在測試的部分，分為兩個區塊，第一區塊為測試RELAY控制模組，第二區塊為WIFI網路模組。下列即為本設備重要功能之測試報告。

硬體介紹

本組使用HT32F1765的開發板，搭配溫濕、空氣品質感測器、RELAY模組與WIFI模組，來完成此次的創意產品。實體圖如圖九所示。

圖九 : 產品實體圖

RELAY模組控制測試

本組RELAY模組的測試方法，是以實機操作來做測試，先設定好清單，將要點亮的光照通道，依時序排出。在實際測試後，RELAY通道也如時的點亮(圖10)，此測試實驗，完整呈現出本產品的RELAY模組功能是能成功運行。

圖十 : 通道清單與RELAY測試圖

WI-FI網路傳輸模組

在WIF網路模組測試方面，本組使用Visual C#與Android App來完成電腦端與手機端的網路監控程式。

經由連接上Internet，在與主控端的WIFI網路模組作連接。當與主控端成功連結時，便會傳送一個訊號給主控端，主控端會顯示”OK”符號，並回傳同一訊號，電腦端接收到訊號，會顯示”連接成功”，當兩邊都顯示符號時，代表WIFI網路已經成功連接。當電腦端與主控端在連接成功後，也能確實的將清單資料，完整無誤的傳送到主控端作儲存並使用。

結論與討論

經由一系列的測試與實驗結果，一套以「高效能」、「低功率」與「人性化」為特點的農業用遠端控制系統已成功被開發。透過HT32F1765的豐沛硬體資源及搭配各種模組的精巧控制與手機APP結合，實際完成了一個非常完善的高效能植物工廠金頭腦。

此產品結合了網路攝影機功能，管理者可以透過網路攝影機，就可對種植區做即時管理與監控。在未來，農夫只需要在家，打開電腦或手機就能開始耕種。此項產品將會對農業市場掀起一場革命性的改變，經濟效益無可限量。（本文作者汪啟茂教授、鄭任皓、許哲豪、吳博瑞、陳俊儒於義守大學電子工程學系）

參考資料

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