基于數(shù)字農(nóng)業(yè)的植物生長(zhǎng)環(huán)境模擬平臺(tái)構(gòu)建

鐘聞?dòng)? 王永江 陳旭彬

摘 要 數(shù)字農(nóng)業(yè)已成為目前農(nóng)業(yè)科研的重要方向，開設(shè)農(nóng)學(xué)專業(yè)的高校更是在此方向上投入大量人力、物力?；诖?，立足于高校智慧農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，將科研教研融為一體，開發(fā)一套基于數(shù)字農(nóng)業(yè)，依靠傳感器技術(shù)、生物技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化技術(shù)的植物生長(zhǎng)環(huán)境模擬平臺(tái)。

關(guān)鍵詞 環(huán)境模擬平臺(tái);植物生長(zhǎng);數(shù)字農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.09.110

對(duì)于學(xué)習(xí)自動(dòng)化控制的電氣、電子、計(jì)算機(jī)專業(yè)類的非農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，進(jìn)入農(nóng)業(yè)類實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作具有一定的不現(xiàn)實(shí)性，不能隨意操控農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，進(jìn)而觀察環(huán)境變化對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。與此同時(shí)，植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)且數(shù)據(jù)變化緩慢，自動(dòng)化設(shè)備在實(shí)際監(jiān)控中的控制效果反映不明顯。因此，設(shè)計(jì)一套模擬系統(tǒng)，讓教師和學(xué)生既能用作教學(xué)，又可以用作科研，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)控植物生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí)又不會(huì)因植物損傷而出現(xiàn)巨大損失的系統(tǒng)顯得十分必要。

1 整體設(shè)計(jì)

選用豆瓣綠作為此次項(xiàng)目的植物研究對(duì)象。此植物特點(diǎn)是耐寒、耐旱，繁殖快，易更換，成本低。

采用溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤綜合傳感器、植物補(bǔ)光燈、二氧化碳傳感器及灌溉設(shè)備對(duì)植物沙盤中的植物進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控。

分別利用單片機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、計(jì)算機(jī)作為中央控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制存儲(chǔ)。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)

無(wú)論是野外還是溫室大棚，土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度、土壤氮磷鉀含量、土壤pH值及空氣CO2含量等數(shù)據(jù)采集對(duì)植物生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)都是必不可少的環(huán)境因素[1]。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)具有普遍性，可以適用于多種植物的生長(zhǎng)檢測(cè)，是研究植物生長(zhǎng)的主要和重要數(shù)據(jù)[2-3]。本次研究以這些信息和數(shù)據(jù)的采集為基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究，溫室大棚環(huán)境監(jiān)控如圖1所示。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)沙盤種植植物的特點(diǎn)，選擇合適設(shè)備和元器件作為此次研究的硬件基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)采集設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備和中央控制器組成[4]。

3.1 數(shù)據(jù)采集傳感器

數(shù)據(jù)采集傳感器主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤氮磷鉀傳感器、土壤pH值傳感器、空氣CO2傳感器[5]。

考慮到信號(hào)統(tǒng)一性和單片機(jī)、PLC及計(jì)算機(jī)采集模塊的輸入信號(hào)容量，所有傳感器均采用RS485通信與控制器連接，這種選擇形式信號(hào)即統(tǒng)一，又能避免模擬量信號(hào)多控制器成本增加，而且接線簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試也很方便。數(shù)據(jù)采集傳感器接線原理圖如圖2所示。

3.2 執(zhí)行設(shè)備

執(zhí)行設(shè)備主要由灌溉設(shè)備、加熱設(shè)備、補(bǔ)光設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備組成。

3.3 中央控制器

中央控制器采用單片機(jī)控制、PLC控制、計(jì)算機(jī)控制3種模式，3種模式屬于并行關(guān)系。通過(guò)開關(guān)進(jìn)行切換。單片機(jī)采用51系列，用液晶屏顯示所有數(shù)據(jù)。PLC采用西門子S7-200系列與觸摸屏結(jié)合進(jìn)行控制和顯示[6]。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用開關(guān)量模塊和RS232轉(zhuǎn)RS485通訊模塊與上位機(jī)連接采集和傳輸數(shù)據(jù)[7]。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制流程

單片機(jī)控制、PLC控制和計(jì)算機(jī)控制的軟件編制過(guò)程思路相同，只是表現(xiàn)形式不同。

系統(tǒng)控制流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后，運(yùn)行進(jìn)行初始化，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行是否正常，如有故障給出提示，否則開始采集并顯示各種傳感器信號(hào)[8];同時(shí)與設(shè)置值進(jìn)行比對(duì)，出現(xiàn)偏差則控制輸出設(shè)備如灌溉設(shè)備、補(bǔ)光燈或者通風(fēng)設(shè)備來(lái)調(diào)整環(huán)境參數(shù)從而達(dá)到植物生長(zhǎng)正常條件。

4.2 控制模塊

控制模塊主要是控制灌溉系統(tǒng)設(shè)備、補(bǔ)光燈、通風(fēng)設(shè)備的輸出。

根據(jù)植物生長(zhǎng)過(guò)程中的水分要求及采集土壤的濕度，控制水泵補(bǔ)水[9]。根據(jù)水量需求的大小，控制水泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和間隔運(yùn)行。當(dāng)水箱水位過(guò)低時(shí)，提示水箱補(bǔ)水;當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)光度不足，則開啟補(bǔ)光燈。補(bǔ)光時(shí)間的長(zhǎng)短根據(jù)不同季節(jié)和天氣情況進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)光和間隔補(bǔ)光[10]。

當(dāng)沙盤內(nèi)溫度過(guò)高或者土壤濕度過(guò)大、二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，開啟通風(fēng)設(shè)備使沙盤空氣流通，調(diào)整沙盤內(nèi)溫濕度和二氧化碳濃度。

4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

夏季，特別是7月、8月室內(nèi)和沙盤內(nèi)溫度都很高，控制頻率相對(duì)較高，因此每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)并存儲(chǔ);春季、秋季和冬季，室內(nèi)及沙盤內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，控制頻率低，每隔30 min或者60 min采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，與設(shè)置值比對(duì)繪制曲線，提供歷史數(shù)據(jù)顯示。

5 結(jié)論與討論

本次模擬植物生長(zhǎng)環(huán)境平臺(tái)搭建，從實(shí)用角度來(lái)看：1）用簡(jiǎn)單的設(shè)備控制真實(shí)的植物種植過(guò)程;2）充分利用電子傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使電子、電氣、計(jì)算機(jī)專業(yè)教師及學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合并獲得最真實(shí)的材料和經(jīng)驗(yàn);3）因?yàn)槭亲灾餮邪l(fā)的系統(tǒng)，無(wú)論修改和擴(kuò)充功能都十分方便，為教師和學(xué)生的科研及教學(xué)工作提供了恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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（責(zé)任編輯：趙中正）