自動化控制技術(shù)下的智慧大棚設(shè)計與應(yīng)用

張文郁 李勇泉 吳鵬

摘要：我國南方地區(qū)與北方地區(qū)存在較大的溫度、氣候差異，使得珍稀瀕危植物在不同區(qū)域表現(xiàn)突出的分布特征，意味著自然環(huán)境是保障生長的關(guān)鍵條件，人工操作難免存在一定誤差，為此，借助智慧大棚的建設(shè)徹底實現(xiàn)自動化溫濕度調(diào)控，不僅能實現(xiàn)對人力成本的控制，還能有效提升生產(chǎn)效率?；诖耍疚囊哉湎≈参锉Ｗo(hù)為目的，基于自動化控制技術(shù)下設(shè)計智慧大棚，并通過實際應(yīng)用證實該系統(tǒng)的可操作性。

關(guān)鍵詞：珍稀植物；自動化控制；智慧大棚

受到人類活動擴(kuò)張、氣候變化以及外來物種侵襲等因素的影響，導(dǎo)致生物多樣性面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，為此，保護(hù)生物多樣性成為一項重要的工作。珍稀瀕危植物具有數(shù)量稀少和生境特殊等特點，一直以來都是植物起源研究、古地質(zhì)變遷以及區(qū)系演化等的重要證據(jù)，保護(hù)珍稀瀕危植物是保障生物多樣性的重要基礎(chǔ)，也是保護(hù)野生生態(tài)資源的關(guān)鍵措施。近年來，隨著珍稀瀕危植物保護(hù)工作的全面推進(jìn)，溫室大棚技術(shù)成為優(yōu)化珍稀植物生存環(huán)境、延長植物存活率和提高優(yōu)良率的重要方法，但傳統(tǒng)的溫室大棚要通過人工檢測和調(diào)節(jié)環(huán)境，難免出現(xiàn)錯漏，影響脆弱珍稀瀕危植物的生長。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的影響下，自動化控制技術(shù)迅速崛起，并在各種工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域廣泛運用，獲得了學(xué)界以及各領(lǐng)域企業(yè)的共同認(rèn)可。為此，將這項成熟的技術(shù)應(yīng)用到溫室大棚中，打造全新的智慧大棚，增強(qiáng)溫室大棚的自動化和智能化性能，使珍稀瀕危植物得到合理化、科學(xué)化的保護(hù)。

一、珍稀植物保護(hù)智慧大棚需求分析

優(yōu)秀的珍稀植物保護(hù)智慧大棚必須結(jié)合實際情況，在使用期間應(yīng)操作簡單，能被廣大農(nóng)戶快速掌握，又能更好地適應(yīng)周圍環(huán)境。為此，該系統(tǒng)要滿足以下需求：

溫度控制：溫度是保障珍稀植物生長的關(guān)鍵因素，在不同時間段能根據(jù)植物的生長特性調(diào)整溫度參數(shù)，有利于植物的生長。目前，溫室大棚在溫度調(diào)整上主要通過通風(fēng)、遮陽等方式實現(xiàn)。通常情況下，大棚室內(nèi)溫度控制在16°左右，但部分植物可能需要更高的溫度，這就需要適當(dāng)調(diào)整。

濕度管理：大棚的濕度條件也會直接影響農(nóng)作物的生長，為此，要結(jié)合空氣濕度實現(xiàn)有效管控，如果需要加濕，可以適當(dāng)澆水。

光照強(qiáng)度調(diào)整：光照是植物日常光合作用的重要因素，可以借助黑布遮擋板調(diào)整光照。

二氧化碳濃度控制：二氧化碳主要應(yīng)用于植物的光合作用，適當(dāng)?shù)亩趸紳舛饶芴岣咧参锕夂献饔玫男Ч?/p>

二、珍稀植物智慧大棚系統(tǒng)設(shè)計

（一）控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

珍稀植物保護(hù)智慧大棚系統(tǒng)主要基于自動化控制系統(tǒng)技術(shù)，打造針對溫濕度、光照強(qiáng)度和環(huán)境監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和調(diào)控的現(xiàn)代溫室大棚，總體結(jié)架構(gòu)如圖1所示。

（二）珍稀植物智慧大棚系統(tǒng)主要功能

1.環(huán)境參數(shù)的測定與調(diào)控

光照強(qiáng)度測試：植物的光合作用無法離開光照，為此，合理的光照強(qiáng)度非常關(guān)鍵，通過光照傳感器監(jiān)測光照，配合補(bǔ)光系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、遮陽板的調(diào)整提升光照強(qiáng)度在整體控制效果。

溫濕度測試：植物的正常生長必須要有良好的溫濕度條件，需要動態(tài)測量室內(nèi)溫濕度，并結(jié)合測量結(jié)果適時調(diào)控。

智慧大棚卷簾和排風(fēng)系統(tǒng)控制：智慧大棚中的溫度、光照和濕度都需要由排風(fēng)扇以及卷簾調(diào)整，為此，大棚控制系統(tǒng)必須結(jié)合室內(nèi)各項參數(shù)變化準(zhǔn)確調(diào)整。

二氧化碳濃度測量：植物的光合作用會直接影響其生長，適當(dāng)?shù)亩趸紳舛饶軒椭参锔玫耐瓿晒夂献饔?，為此，智慧大棚?yīng)實現(xiàn)對室內(nèi)二氧化碳濃度的調(diào)控，找到更適宜珍稀植物生長的二氧化碳濃度。

2.智慧大棚數(shù)據(jù)樣本采集

根據(jù)上述需求，針對數(shù)據(jù)樣本實施采集是保障環(huán)境數(shù)據(jù)測試和采集的重要功能。但需要注意的是，珍稀植物對生存環(huán)境的要求更高，不能用某個采集數(shù)據(jù)作為整體的數(shù)據(jù)信息。如果通過人工的方式調(diào)整大棚環(huán)境參數(shù)，不僅效率低，采集到的數(shù)據(jù)也容易丟失、重疊。為此，可以通過環(huán)境傳感器收集數(shù)據(jù)。

3.通信模塊的應(yīng)用

通信模塊是確保本系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化運作的核心模塊，借助5G通信能完成對各項數(shù)據(jù)的傳輸和指令的發(fā)布。本系統(tǒng)主要通過物聯(lián)網(wǎng)ZigBee通信技術(shù)實現(xiàn)通信運轉(zhuǎn)，該項技術(shù)已非常成熟，有著較高的穩(wěn)定性和傳輸效率，是現(xiàn)階段應(yīng)用范圍較廣的通訊模塊。ZigBee模塊主要通過序列擴(kuò)頻的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個模塊能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速接收，完成攝像頭驅(qū)動、短信發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)雀黜椡ㄐ欧?wù)。

4.智慧大棚數(shù)據(jù)平臺

主要通過瀏覽器/服務(wù)器構(gòu)建Java平臺的主流數(shù)據(jù)訪問平臺，用戶可以經(jīng)由任意的網(wǎng)絡(luò)PC端口進(jìn)入瀏覽器，登錄智慧大棚的數(shù)據(jù)平臺，獲取數(shù)據(jù)信息，此數(shù)據(jù)平臺需要基于Java Web服務(wù)器構(gòu)建，形成底層數(shù)據(jù)庫，還可經(jīng)J2EE平臺發(fā)布相關(guān)信息。

5.Android 平臺應(yīng)用

通常情況下，設(shè)備的控制界面直接配置在設(shè)備上，當(dāng)需要控制設(shè)備的過程中，必須由專人到設(shè)備旁監(jiān)控和操作，但載入手機(jī)移動端后，可以提升整體靈活性。為此，為了提升智慧大棚的性能，系統(tǒng)搭建并載入設(shè)備控制軟件，通過移動端獲取信息，并通過端口控制電氣設(shè)備。

（三）智慧大棚控制系統(tǒng)軟硬件配置

智慧大棚的控制系統(tǒng)軟硬件配置主要包括采集設(shè)備與控制電路兩部分，總體硬件設(shè)計采取模塊化的設(shè)計處理思路，模塊化的設(shè)計方案能確保系統(tǒng)后期升級與擴(kuò)展需求，硬件部分的控制設(shè)備主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)的開發(fā)、不同傳感器的數(shù)據(jù)采集和電路設(shè)計等，在整個系統(tǒng)運作中，數(shù)據(jù)的收發(fā)是關(guān)鍵，它能完成安卓系統(tǒng)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

1.主控制器

MCU主控單元主要運用STM32 F103 x8系列芯片，型號為STM32F103R8T6，具有處理速度快、存儲容量較大、芯片接口數(shù)量較多以及多通道等特性。智慧大棚控制系統(tǒng)配置的控制器對串口的數(shù)據(jù)有著較高需求，而本文采用的芯片不僅能有效控制時序，還能實現(xiàn)低功耗、穩(wěn)定電壓輸出的效果。

2.傳感器

溫濕度傳感器集成模塊主要運用環(huán)境傳感器DHT11，通過I/O控制器出口完成通信連接；光照傳感則運用BH1750FVI元器件，具有較高的光照強(qiáng)度反饋敏銳度，通過兩根線訪問光照強(qiáng)度傳感器寄存器；二氧化碳傳感器模塊運用T6004，具有結(jié)構(gòu)完整、結(jié)構(gòu)小等特點。通過傳感器的調(diào)配運用，可結(jié)合溫濕度要求，實現(xiàn)溫濕度、土壤溫濕度和光照的調(diào)控。例如：將空氣溫度設(shè)置為20～25℃，濕度設(shè)置為80%～90%，光照設(shè)置為500lx，二氧化碳設(shè)置為0.03%。同時，基于算法完成以下設(shè)定：（1）以二氧化碳在空氣中的值相對恒定，優(yōu)先級設(shè)定為最低，但可設(shè)置報警等級。（2）光照度會直接影響空氣溫濕度，它作為執(zhí)行命令最高級，優(yōu)先開啟外遮光。此時設(shè)置時間閥值，開啟1h。（3）濕度監(jiān)測低于80%或開啟濕簾加濕；如果高于90%不執(zhí)行動作。（4）溫度監(jiān)測，當(dāng)高于25℃時，開啟通風(fēng)或內(nèi)循環(huán)。（5）場景模式在季節(jié)變化時，對傳感器執(zhí)行有優(yōu)先級的排序。此項指令會在環(huán)境參數(shù)變化時循環(huán)執(zhí)行，以此確保植物生長的最佳環(huán)境。

3.通訊模塊

系統(tǒng)采用的通訊模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)透傳、HTTPD、短信息三種運作模式，因網(wǎng)絡(luò)透傳的運作效率較高，以此作為主要通訊模式，本系統(tǒng)主要采取Socker編程如圖2所示。

三、智慧大棚控制系統(tǒng)的應(yīng)用

通過PC端瀏覽器和手機(jī)端口登錄智慧大棚數(shù)據(jù)平臺，可通過大屏數(shù)據(jù)看板實時監(jiān)控室內(nèi)以及室外的溫度、濕度、二氧化碳、光照度等參數(shù)。大屏使用折線圖展示每個棚的溫濕度變化，中部區(qū)域為根據(jù)實際場景和環(huán)境搭建三維立體數(shù)字孿生應(yīng)用場景，如圖3所示。同時，實時掌握各種設(shè)備運作情況，以小卡片列表的形式顯示數(shù)據(jù)，一個設(shè)備用一張卡片顯示，支持按照狀態(tài)/設(shè)備類型/空間區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。在日常管理中，系統(tǒng)根據(jù)具體的業(yè)務(wù)配置業(yè)務(wù)規(guī)則，并在告警工單中處理對應(yīng)的工單信息、告警工單的詳情，詳細(xì)查看到觸發(fā)告警的設(shè)備、設(shè)備數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息，如圖4所示。

四、結(jié)語

綜上所述，本文根據(jù)珍稀植物保護(hù)的需求，設(shè)計了基于自動化控制技術(shù)下的智慧大棚，提升溫室大棚管理精準(zhǔn)性和智慧性，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和管理以及閾值報警，為珍稀植物的保護(hù)提供現(xiàn)代化的保護(hù)策略。

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